step_into_mips：计算机组成原理实验与参考实现

本仓库整理了一条从基础数字部件到 MIPS SoC、再到教学型 Tiny OS / RTOS 的实验路线。前半部分延续重庆大学计算机组成原理课程改革实验内容；后半部分在 Nexys4 DDR 上补充 SoC、UART、异常/中断、DDR2 和 StepOS baseline，作为《硬件综合设计》和 NSCSCC（龙芯杯系统能力培养大赛）入门的参考实现。

最终集成目标是 Lab 10: StepOS Tiny OS / RTOS：在 DDR-capable MIPS SoC 上启动一个小型操作系统 baseline，提供 UART shell、DDR pattern test、timer tick、两个任务 round-robin scheduler 和 syscall-like ABI。

实验进度

Lab	主题	说明
1	ALU 设计，存储器 IP 使用	早期实验仍可参考原分支 lab_1
2	简单取指译码模块	早期实验仍可参考原分支 lab_2
3	单周期 MIPS CPU	早期实验仍可参考原分支 lab_3
4	五级流水 MIPS CPU	本仓库提供 Vivado batch 仿真/综合脚本
5	SoC 总线与统一地址空间	Nexys4 DDR 最小 SoC、boot ROM、GPIO/LED MMIO
6	UART 与 Boot Monitor	UART MMIO、boot banner、字符回显
7	扩展 ISA 与 C Runtime	扩展指令、byte strobe 数据总线、ISA self-test
8	中断、异常和 Timer	CP0-like mfc0/mtc0/eret、timer IRQ、固定异常入口
9	DDR2 外部内存	d_valid/d_ready wait-state 访存、行为级 DDR model、true MIG
10	Tiny OS / RTOS	StepOS shell、DDR test、timer tick、两任务 round-robin scheduler

Labs 5-10 的系统演进和设计取舍见 docs/lab_5_to_lab_10_roadmap.md。

仓库结构

src/        RTL 源码，按 lab 分目录；src/common 放共享 UART 等模块
sim/        Vivado/XSim testbench
scripts/    Vivado batch 仿真、bitstream 构建和 JTAG 下载脚本
software/   boot image 生成器和教学软件镜像
constr/     Nexys4 DDR XDC 约束
coe/        早期实验使用的 COE 教学文件
docs/       Labs 5-10 文档、路线和设计说明
xpr/        早期实验 Vivado project 文件
tools/      预留/辅助工具目录

生成的 boot ROM 镜像（例如 src/lab_10_tiny_os/lab_10_boot.mem）和 listing（例如 software/tiny_os/gen_lab10_boot.lst）作为教学参考材料保留在仓库中；Vivado build/、.jou、.log、bitstream/checkpoint 等构建产物不应提交。

Vivado 环境

本机示例环境为 Vivado 2025.2：

set +u
unset ZSH_VERSION
source /mnt/data1/Xilinx/2025.2/Vivado/settings64.sh

如果安装路径不同，请调整 settings64.sh 路径。

Lab 10 快速测试

1. 生成 StepOS boot ROM

cd /mnt/data1/nexys4/step_into_mips
python3 software/tiny_os/gen_lab10_boot.py

输出：

src/lab_10_tiny_os/lab_10_boot.mem
software/tiny_os/gen_lab10_boot.lst

2. 行为级仿真

set +u
unset ZSH_VERSION
source /mnt/data1/Xilinx/2025.2/Vivado/settings64.sh
vivado -mode batch -source scripts/sim_lab10.tcl

成功标志：

Simulation succeeded: lab_10 StepOS shell and scheduler verified
LAB10_SIM_DONE

3. 构建 true-MIG bitstream

vivado -mode batch -source scripts/build_lab10.tcl

成功标志：

LAB10_BITSTREAM=/mnt/data1/nexys4/step_into_mips/build/lab10_top.bit

并且 routed timing report 中应有：

All user specified timing constraints are met.

4. 下载到 Nexys4 DDR

vivado -mode batch -source scripts/program_lab10.tcl

成功标志：

LAB10_PROGRAMMED=xc7a100t_0 BITSTREAM=/mnt/data1/nexys4/step_into_mips/build/lab10_top.bit

5. UART shell 测试

串口参数：

/dev/ttyUSB1
115200 8N1

推荐：

picocom -b 115200 --flow n --parity n --databits 8 /dev/ttyUSB1

如果串口打开时已经错过启动输出，保持串口打开后按 Nexys4 DDR 的 BTNC 中间按钮复位。期望启动输出：

step_into_mips lab10 tiny os
DDR CAL OK
DDR TEST OK
OS INIT OK
SCHED READY
step-os>

Shell 不回显输入字符；直接输入命令并按 Enter 即可：

help
ps
mem
led 1
run demo

期望响应：

help ps mem led run
task0 shell
task1 demo
DDR CAL OK
DDR TEST OK
OK
demo started

其它实验常用命令

Lab 4：

vivado -mode batch -source scripts/sim_lab4.tcl
vivado -mode batch -source scripts/build_lab4.tcl

Lab 5：

vivado -mode batch -source scripts/sim_lab5.tcl
vivado -mode batch -source scripts/build_lab5.tcl
vivado -mode batch -source scripts/program_lab5.tcl

Lab 6-9 在仿真/构建前可先重新生成 boot image：

python3 software/lab_6/gen_lab6_boot.py
python3 software/lab_7/gen_lab7_boot.py
python3 software/lab_8/gen_lab8_boot.py
python3 software/lab_9/gen_lab9_boot.py

然后运行对应脚本：

vivado -mode batch -source scripts/sim_labN.tcl
vivado -mode batch -source scripts/build_labN.tcl
vivado -mode batch -source scripts/program_labN.tcl

其中 N 为 6、7、8 或 9。

文档入口

• Labs 5-10 系统演进：docs/lab_5_to_lab_10_roadmap.md
• Lab 10 StepOS：docs/lab_10_tiny_os.md
• 脚本说明：scripts/README.md
• StepOS 软件镜像说明：software/tiny_os/README.md

预备知识和器件实现可参考原仓库分支：prepare。

附录文档可参考原仓库分支：appendix。

参考与致谢

本实验内容以《Digital Design and Computer Architecture》为基础，同时引入由龙芯中科提供的比赛资源作为参考，特此感谢。

• DDCA: Elsevier Book Store
• NSCSCC: 全国大学生系统能力培养大赛官网
• linuxdo: linuxdo