中山大学课程项目：Verilog实现简易CPU设计与实验

资源摘要信息:"中山大学计算机组成原理实验报告概述" 在计算机组成原理实验中，中山大学计算机学院的学生们在2018-2019学年第一学期中，由何朝东教师指导，使用Verilog硬件描述语言(HDL)对CPU进行设计和实现。该实验项目主要分为两部分：单周期CPU和多周期CPU的设计与实现。 1. Verilog HDL基础 Verilog HDL是一种硬件描述语言，用于模拟电子系统，特别是数字电路设计。它允许设计者以文本形式描述电路的行为和结构，并通过综合工具转换为硬件电路。Verilog广泛应用于FPGA和ASIC的设计和验证。 2. CPU设计概念 CPU（中央处理单元）是计算机系统的核心部件，负责解释计算机程序并进行运算处理。CPU的性能直接决定了计算机的运行效率。CPU设计通常涉及指令集架构、数据路径、控制单元以及时序控制等方面。 3. 单周期CPU与多周期CPU的区别 - 单周期CPU设计：每个指令在一个周期内完成，包括取指、译码、执行和写回。它简单、直观，但每个指令的周期时间必须足够长以满足最慢指令的执行时间。 - 多周期CPU设计：将指令的执行分解为多个周期，不同指令的执行需要不同数量的周期。这种方式可以更有效地利用时钟周期，提高CPU效率。 4. 实验中的实现方法 - 采用Verilog HDL进行CPU设计，实现了从指令的取指、译码、执行到结果写回的完整流程。 - 实验过程中可能涉及到的子模块设计，例如将十六进制数转换为七段数码管编码的模块，用于输出显示。 5. Vivado工具使用 Vivado是Xilinx公司推出的一款集成设计环境，支持系统级设计到FPGA实现的整个过程。在本实验中，Vivado用于将Verilog代码综合成FPGA的配置文件，并进行仿真验证。 6. MIPS指令集架构 MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种经典的简化指令集计算机（RISC）架构。由于其简单、规整的特点，MIPS常作为教学示例。单周期和多周期CPU的设计很可能基于MIPS指令集。 7. 实验目录结构 提供的压缩文件"computer-organization-lab-master"中包含了实验相关的所有文件。目录结构很可能包含了源代码(srcs)目录，其中包含用于Vivado工程的Verilog文件。 8. 实验目的与意义 通过本实验，学生们能够深入理解CPU的工作原理，以及如何使用Verilog语言来设计和实现CPU。这不仅有助于加深对计算机组成原理的理解，还锻炼了工程实践能力，对于未来从事计算机体系结构和数字系统设计具有重要意义。 总结而言，中山大学计算机组成原理实验报告中所包含的内容，不仅仅是设计并实现单周期和多周期CPU的过程，更是一次深入探索计算机核心硬件设计的学习之旅。通过对Verilog HDL和CPU设计的实践，学生能够更好地掌握计算机科学与技术的核心概念。