计算机体系结构实验：32位MIPS处理器与Verilog设计

"该课程是关于计算机体系结构的实验课程，涵盖了从理论到实践的多个层面，使用Verilog和SystemVerilog进行数字逻辑设计，并通过Xilinx公司的Vivado设计工具在FPGA（Field-Programmable Gate Array）上实现。实验主要围绕32位MIPS处理器的不同设计阶段展开，包括32位ALU、单周期和多周期处理器以及流水线处理器的设计与实现。课程还涉及到MIPS汇编语言的学习和使用QtSpim软件进行模拟执行，以及I/O接口和存储器映射I/O寻址等基础知识。实验过程中强调原创性，每个阶段结束后需提交实验报告。实验一详细介绍了32位ALU的设计，包括功能定义、Verilog HDL代码编写和测试向量的制定。" 本课程以计算机体系结构为核心，结合硬件描述语言Verilog和SystemVerilog，使学生深入理解并实践数字逻辑设计。课程内容主要包括以下几个方面： 1. **MIPS处理器设计**：学习32位MIPS处理器的架构，包括32位ALU（算术逻辑单元）、单周期处理器和流水线处理器。这些设计涵盖了处理器的基础运算单元和复杂操作，如加法、减法、逻辑运算等。 2. **Verilog与SystemVerilog**：作为硬件描述语言，Verilog和SystemVerilog用于描述数字逻辑系统的行为和结构，是FPGA设计的关键工具。学生将学习如何使用这些语言编写处理器的各个组件。 3. **Vivado设计工具**：Xilinx公司的Vivado是一款强大的FPGA开发软件，支持完整的硬件设计流程，包括设计输入、逻辑综合、布局布线以及硬件调试等，学生将学会如何利用它实现和验证自己的设计。 4. **NEXYS4 DDR开发板**：由Digilent公司提供的FPGA开发板，提供硬件平台供学生进行实际的硬件设计和验证。 5. **MIPS汇编语言**：课程中会讲解MIPS指令集，让学生了解汇编语言编程，同时使用QtSpim软件模拟执行MIPS汇编代码，帮助理解处理器的指令执行过程。 6. **I/O接口与存储器映射**：介绍I/O接口的设计原理和存储器映射I/O寻址方法，这是连接外部设备和处理器的关键技术。 实验部分强调独立完成，每阶段结束时提交实验报告，以检验对概念的理解和实际操作能力。例如，实验一开始，学生需要设计一个32位ALU，根据给定的功能定义编写Verilog代码，并生成测试向量以验证其正确性。测试向量包括各种输入组合和预期结果，确保ALU能正确执行各种运算，包括加法、减法、逻辑运算以及条件判断等。 参考资料包括《数字设计和计算机体系结构》一书，这是一本经典的计算机体系结构教材，为学生提供了深入的理论基础。同时，MIPS处理器作为RISC架构的代表，其简洁高效的指令集和设计思想也是学习的重点。 这个课程旨在通过实践教学，让学习者掌握计算机体系结构的基本原理，提升数字逻辑设计和FPGA开发的能力，为未来在硬件设计领域的工作打下坚实的基础。