毕业设计大纲

项目文档描述：基于 LoongArch32R 的轻量级 SoC 及嵌入式系统实现

1. 题目简述

本项目设计并实现了一个完整的、基于国产 LoongArch32R 精简指令集架构的嵌入式片上系统。核心内容包括：

• 定制化 LoongArch32R CPU 核心： 包含双缓存（Cache）结构（指令缓存 I-Cache 和数据缓存 D-Cache）以及动态分支预测器，提升执行效率。
• 完整 SoC 集成： 集成 AXI、APB、AHB 等标准总线，连接各类外设控制器。
• 人机交互外设： 实现 VGA 视频输出控制器和 SPI 键盘输入控制器。
• 轻量级操作系统： 开发了一个带有基本 Shell 的轻量级操作系统。
• 应用生态： 在操作系统上实现了若干实用程序（如 ls, cat) 和一个核心演示应用：幻灯片播放器，能够驱动 VGA 显示播放幻灯片。

本项目旨在验证自主设计的 LoongArch CPU 核心的功能与性能，并构建一个具备实用演示能力的软硬件协同嵌入式平台。

2. 具体任务

本项目的具体实现任务包括：

• CPU 微架构设计与实现 (RTL)：
  • 实现符合 LoongArch32R 规范的整数核心。
  • 设计并集成分离的指令缓存 (I-Cache) 和数据缓存 (D-Cache)。
  • 设计并集成动态分支预测器（如局部历史预测器、GShare 或 Tournament 等）。
  • 实现必要的流水线控制逻辑。
• SoC 互连与子系统集成 (RTL)：
  • 设计系统总线架构，集成 AXI (高性能外设/内存)、AHB (中等性能外设)、APB (低速外设) 总线。
  • 实现总线桥接器（如 AXI-to-AHB, AHB-to-APB）。
  • 集成 Boot ROM 和主存控制器（如 SDRAM/DDR Controller）。
• 外设控制器开发 (RTL)：
  • VGA 显示控制器： 实现基于 Framebuffer 的 VGA 输出驱动，支持标准分辨率（如 1080P）。
  • SPI 键盘控制器： 实现 SPI 主机控制器，用于读取标准 PS/2 或 USB（通过转换器）键盘的输入。
• 轻量级操作系统开发 (C/ASM)：
  • 实现 Bootloader，完成硬件初始化和内核加载。
  • 开发内核核心功能：内存管理（简单分页/段式）、进程/线程调度（可能简化）、中断/异常处理、基础驱动框架（VGA Framebuffer, SPI 键盘, Timer 等）。
  • 实现一个交互式 Shell，提供基本的命令解析和执行环境。
• 用户程序开发 (C)：
  • 开发基础 Shell 命令：ls (目录/文件列表，可能基于内存文件系统)、cat (文件内容显示)。
  • 核心演示应用 - 幻灯片播放器：
    • 设计简单的幻灯片文件格式（或直接读取图片文件）。
    • 实现图片解码/渲染逻辑（可能简化格式如 BMP 或自定义格式）。
    • 利用 VGA Framebuffer 驱动显示图片。
    • 实现通过键盘控制（如 SPI 键盘）翻页、播放/暂停等功能。
• 软硬件协同验证与调试：
  • 使用仿真工具（如 Verilator, ModelSim）进行模块级和系统级仿真。
  • 在 FPGA 开发平台（如 Xilinx/Intel FPGA）上进行综合、布局布线和测试。
  • 调试软硬件交互问题，确保整个系统从启动、加载 OS、运行 Shell 到执行应用程序（尤其是幻灯片播放）的完整流程正确无误。

3. 预期目标

本项目的预期达成目标包括：

• 功能正确性：
  • LoongArch32R CPU 核心能正确执行目标指令集。
  • 缓存和分支预测器功能正确，能有效提升性能。
  • SoC 总线及外设（VGA, SPI 键盘）工作正常，数据通路畅通。
  • 操作系统能成功启动，提供稳定的 Shell 交互环境。
  • 基础命令 ls, cat 能按预期工作。
  • 幻灯片播放器能稳定流畅地加载和显示幻灯片，并响应键盘控制。
• 系统完整性：
  • 实现从硬件 CPU 到软件应用（幻灯片播放器）的完整垂直集成。
  • 构建一个可实际运行在 FPGA 硬件上的、具备人机交互（显示+键盘）能力的嵌入式原型系统。
• 性能提升验证：
  • 通过基准测试或关键应用（如幻灯片渲染速度）验证缓存和分支预测器带来的性能提升。
• 演示价值：
  • 提供一个直观、可视化的演示（幻灯片播放），充分展示自主 CPU、SoC 集成、操作系统驱动能力和应用层开发的成果。
• 技术验证：
  • 验证 LoongArch32R 架构在嵌入式系统领域的可行性。
  • 验证自主设计的带高级特性（Cache, 分支预测）CPU 核心的实用性。
  • 验证轻量级 OS 和图形应用在资源受限平台上的可行性。