兼容ARM9的软核处理器设计：基于FPGA.pdf

第一章: 数字电路设计模型

本章主要讲述数字电路设计的基本模型。在进行数字电路设计之前，必须建立一个数字电路模型。这个建模的过程，就是在心中建立一个电路的基本轮廓。在了解了数字电路的基本单元后，运用它们构建大致模型。

1.      最初的模型——带有输入输出的模块

2.      组合逻辑

3.      时序逻辑

4.      同步电路

5.      同步电路时序路径

6.      RTL描述

7.      综合生成电路

第二章：Verilog RTL编程

本章讲述如何使用Verilog进行RTL编程，讲述如何使用Verilog精炼的进行RTL描述。在对Verilog的描述方法进行了基本归类后，总结了进行RTL设计的基本流程，并在最后，使用一个简单的UART串口设计实例来启发读者完成RTL设计。

1.      Verilog语言与RTL描述

2.      Verilog描述语句对应电路

3.      如何进行RTL设计

4.      RTL设计要点

5.      UART串口通讯设计实例

第三章：Modelsim仿真

本章讲述如何使用Modelsim对Verilog RTL设计进行仿真验证。验证是设计中重要的一步，Modelsim是最流行的仿真工具，使用Modelsim建立一个测试环境可以对RTL设计进行各种级别的验证测试。

1.      仿真的意义

2.      testbench文件

3.      Modelsim仿真工具使用

4.      UART串口仿真实例

第四章：FPGA开发板原型验证

本章主要讲述如何使用FPGA开发板对设计进行原型验证。FPGA开发板作为数字设计运行的实体，具有实践出真理的价值。掌握FPGA开发板对设计进行验证，对于设计者无比重要。

1.      FPGA内部结构

2.      FPGA开发板

3.      FPGA设计开发流程

4.      FPGA设计内部单元

5.      UART设计在Altera FPGA的下载执行

6.      UART设计在Xilinx FPGA的下载执行

第五章：ARM9微处理器编程模型

本章主要对ARM9处理器架构进行介绍，使读者对ARMv4这一套运行在众多智能手机上的流行架构有个切实的了解。本章从建立微处理器的基本模型开始，从实现的角度对ARMv4架构的方方面面进行了探讨。在总结出了7种中断和20条指令后，对于下一章执行做了全面的总结和铺垫。

1.      ARM公司历史

2.      ARM处理器架构

3.      微处理器基本模型

4.      ARMv4架构模式

5.      ARMv4架构内部寄存器

6.      ARMv4架构的异常中断

7.      ARMv4的架构支持的ARM指令集

8.      ARM指令与中断分析

第六章：兼容ARM9微处理器Verilog RTL设计

本章是本书的核心。讲述了如何在不到1800行的verilog程序里，去实现上一章总结的ARMv4的架构。从现在经典的三级流水线和五级流水线开，对如何有效的实现处理器描述做了全面展开。以此为基础，逐步对兼容ARM9微处理器进行剖析，让读者从处理器内核的实现过程中，学习到Verilog RTL设计的各种技巧。

1.      确定RTL设计的输入输出端口

2.      经典的三级流水线架构

3.      经典的五级流水线架构

4.      三级流水线改进架构

5.      适于兼容ARM9微处理器的三级架构

6.      影响流水线架构执行的四种状况

7.      第一级：取指阶段的Verilog RTL实现

8.      第二级：乘法运算阶段的Verilog RTL实现

9.      第三级：加法运算阶段的Verilog RTL实现

10.      寄存器组的写入

11.      CPSR/SPSR的写入

12.      数据池的读写

13.      第四级：读操作数据的回写

第七章：Hello world--兼容ARM9处理器内核运行的第一个程序

本章介绍简单的ROM code生成流程，并让它在兼容ARM9处理器内核上运行。KEIL是嵌入式开发中流行的工具，它的后续RealView MDK也因为它良好的特性受到嵌入式设计工程师的欢迎。本章帮助读者编写简单的printf("Hello world")打印程序，以此为契机，建立简单的SoC设计工程。

1.      基于FPGA的SoC设计流程

2.      使用RealView MDK编译Hello World程序

3.      Modelsim仿真输出Hello World

4.      建立Hello World的FPGA设计工程

第八章：Dhrystone Benchmark--兼容ARM9处理器内核性能测试

Dhrystone Benchmark是为各种嵌入式内核测试“体质”的代码。本章结合ARM公司给出的优化方法，使用RealView MDK对Dhrystone 2.1代码进行编译。然后使用Modelsim进行仿真，并用FPGA开发板结合串口，打印出真实的测试结果。

1.      Dhrystone 2.1介绍

2.      移植Dhrystone 2.1进行编译

3.      Modelsim仿真运行Dhrystone Benchmark

4.      在线可编程的FPGA SoC设计工程

5.      Dhrystone Benchmark在开发板中运行

第九章：ucLinux仿真--结合Skyeye，启动不带MMU的操作系统

Skyeye是ARM9处理器的软件模拟器，通过它解析ucLinux内核，可以在软件平台上运行嵌入式软件。本章建立了Modelsim的仿真环境，加载同样的ucLinux内核，可以打印出同Skyeye一样的启动信息。在这个过程中，用户可以通过查看波形，从RTL设计工程师的角度解析嵌入式操作系统。

1.      ARM7TDMI-S处理器内核

2.      以ARM7TDMI为核心的单片机

3.      uClinux嵌入式操作系统

4.      SkyEye硬件模拟平台

5.      Modelsim下仿真uClinux启动过程

第十章：Linux OS--结合mini2440开发板，启动带MMU的嵌入式操作系统

Mini2440 ARM9开发板是一种流行的嵌入式开发工具。本章从开发板中得到含有操作系统及文件系统的NAND flash的镜像，然后在Modelsim下建立testbench环境，从该镜像中读出bootloader的第一条指令开始，一步步的启动Linux操作系统。这个过程涉及到带MMU功能模块的处理器的工作机理，读者在本章中可以了解到Linux操作系统的硬件工作环境。

1.      ARM920T处理器内核

2.      S3C2440A 32-bit微控制器

3.      Mini2440 ARM9开发板

4.      NAND flash仿真模型

5.      为兼容ARM9处理器内核增加协处理器指令

6.      建立仿真Linux操作系统的testbench