computer-organization-lab 中山大学计算机组成原理实验

计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门核心课程，它主要研究计算机系统的基本构造和工作原理。中山大学的“computer-organization-lab”实验课程旨在通过实践加深学生对计算机硬件结构的理解，特别是如何使用Verilog这种硬件描述语言来设计和实现计算机系统。以下是基于这个实验主题的相关知识点： 1. **计算机组成原理基础**： - **数据表示**：包括二进制、八进制、十六进制的转换，以及位运算，如移位、逻辑运算等。 - **数制转换**：了解不同数值表示方法，如定点数、浮点数、补码、原码、反码。 - **指令集体系结构**：理解CPU执行的基本指令，如加载、存储、算术运算、控制转移等。 - **存储系统**：包括寄存器、内存（RAM、ROM）、高速缓存（Cache）的工作机制。 - **总线**：掌握数据总线、地址总线、控制总线的作用及设计。 2. **Verilog硬件描述语言**： - **基本语法**：了解Verilog的模块定义、变量声明、赋值操作、条件语句、循环语句等。 - **逻辑操作符**：学习非、与、或、异或、xnor等逻辑门的Verilog表示。 - **组合逻辑电路**：如加法器、编码器、译码器、多路选择器的Verilog设计。 - **时序逻辑电路**：学习寄存器、触发器、计数器、移位寄存器等的Verilog实现。 - **状态机设计**：理解有限状态机（FSM）的概念，学习Mealy型和Moore型状态机的Verilog描述。 3. **实验流程**： - **问题定义**：明确要设计的硬件模块功能。 - **逻辑设计**：用Verilog描述模块的逻辑行为。 - **仿真验证**：使用软件工具（如ModelSim、Icarus Verilog）进行逻辑仿真，确保设计正确。 - **综合与布局布线**：将Verilog代码转化为适合FPGA或ASIC的门级网表。 - **硬件验证**：在实际硬件平台（如FPGA开发板）上验证设计功能。 4. **实验项目**： - **ALU设计**：实现基本算术逻辑单元，处理加减乘除等运算。 - **寄存器堆设计**：构建通用寄存器，支持数据存储和快速访问。 - **数据路径设计**：包括指令寄存器、指令解码器、操作数获取、ALU等组件。 - **控制器设计**：根据指令集生成控制信号，协调数据路径各部分工作。 - **内存接口设计**：实现CPU与内存之间的数据传输。 5. **设计技巧与优化**： - **代码复用**：利用Verilog的模块实例化提高代码可读性和复用性。 - **时序优化**：考虑延迟和同步，避免竞争冒险，保证设计的时序正确性。 - **面积与功耗优化**：在满足功能的前提下，尽量减少逻辑门的数量和动态功耗。 6. **实验报告撰写**： - **设计思路**：阐述设计目标和所采用的方法。 - **代码分析**：解释关键部分的Verilog代码及其功能。 - **仿真结果**：展示仿真波形图，验证设计的正确性。 - **问题与改进**：分析可能存在的问题，提出优化方案。 中山大学的“computer-organization-lab”实验不仅让学生深入理解计算机硬件的工作原理，还锻炼了他们的逻辑思维能力和动手能力，为将来在嵌入式系统、数字逻辑、集成电路设计等领域的发展打下坚实的基础。通过这个实验，学生将能够从硬件层面把握计算机系统，为后续的学习和研究提供有力的支持。