简介本资源是西南交通大学《计算机组成原理》课程配套的上机实验报告合集面向高校计算机类专业本科生及数字电路实践学习者系统覆盖从预备实验到期末课程设计的完整实践链条助力理论知识向硬件设计能力转化。压缩包共1757个文件总大小30.22MB主体为Quartus II 13工程文件含57个VHDL源码.vhd与29个Verilog代码.v配合144个编译数据库.cdb、132个硬件描述库.hdb及67个仿真报告.rpt完整记录8个核心实验——数据表示与补码运算、ALU与运算器设计、SRAM/DRAM存储系统建模、微程序控制器实现、中断与DMA接口、指令译码与执行时序、总线仲裁等并支持在FPGA平台进行综合与下载验证。目前已有921人学习下载内容结构清晰、工程可直接复用附带readme说明与html文档是深入理解计算机底层硬件构成与EDA工具实操的优质教学实践素材。1. 这不是一份普通压缩包它是一套可复现、可验证、可调试的计算机组成原理实验闭环“计算机组成原理上机实验报告.zip”这个文件名常被误认为是学生交作业用的 PDF截图打包件——但真正打开过它的工程师知道里面往往藏着一套完整可运行的数字电路仿真环境从 Logisim 搭建的单周期 CPU、MIPS 指令流水线到 Verilog 实现的 ALU、寄存器堆、Cache 控制器甚至配套的汇编测试程序和波形比对脚本。它解决的不是“怎么交作业”而是“如何把教材第 3 章的控制信号时序图在真实仿真器里跑出一致的 clk 和 rst 行为”。适合两类人一是刚学完硬布线控制器设计、正卡在“为什么我的 MEM.WB 阶段总多一个周期”的本科生二是需要快速验证教学 FPGA 板卡兼容性的助教或课程开发者。它不依赖特定开发板型号但强依赖仿真工具链版本一致性——Logisim-evolution 4.7.2 与 4.8.0 的寄存器使能逻辑行为差异就足以让一份“正确”的实验报告在新环境里输出全零。2. 解压后第一件事识别实验层级与工具链映射关系实验压缩包不是扁平文件集合而是一个分层结构体。解压后需立即执行find . -name *.circ -o -name *.v -o -name *.asm | head -20快速扫描核心组件类型再结合目录命名判断实验目标层级。常见结构有三类基础电路层/circuits/或/logisim/.circ文件为主含 74LS 系列芯片级连线、加法器/比较器/多路选择器等组合逻辑模块CPU 架构层/cpu/或/mips/含顶层.circ如single_cycle_cpu.circ及子模块.circALU.circ,PC.circ部分含.v文件用于后续 FPGA 综合软件验证层/test/或/asm/.asm汇编源码、.hex机器码、testbench.v或 Python 脚本如verify.py用于比对仿真输出与理论预期。提示不要直接双击.circ文件运行Logisim-evolution 启动时若未指定 JVM 参数大电路可能因内存不足崩溃。应先执行java -Xmx2g -jar logisim-evolution.jar显式分配内存。2.1 用 Logisim-evolution 4.7.2 加载并验证基础电路功能Logisim-evolution 是当前高校主流替代方案原 Logisim 已停止维护其 4.7.2 版本对时序电路支持最稳定。加载circuits/alu_32bit.circ后重点验证三组行为算术运算通路设置ALUOp00输入A0x00000001,B0xfffffffe检查Result0xffffffff带符号加法溢出逻辑运算隔离设置ALUOp10输入A0xf0f0f0f0,B0x0f0f0f0f检查Result0x00000000AND 运算且Zero1控制信号扇出右键点击ALUControl子电路 → “属性” → 查看ALUOp引脚是否绑定到ALUOp[1..0]总线避免因引脚命名不一致导致信号悬空。# 验证 Logisim-evolution 版本与 Java 兼容性 java -version # 必须 ≥ 11Logisim-evolution 4.7 要求 java -Xmx2g -jar logisim-evolution.jar --version # 输出应为 4.7.2注意若加载.circ时提示 “Unknown library component”说明该电路引用了自定义库如mips_library.lgl。需将库文件复制到 Logisim-evolution 安装目录的lib/子目录下并重启软件。2.2 从.asm到.hex手写汇编的二进制落地流程实验报告中常附带test_add.asm类汇编文件但真正驱动 CPU 运行的是其对应的机器码。需通过mips-gcc工具链生成可执行镜像# 安装 mips-linux-gnu-gccUbuntu/Debian sudo apt install gcc-mips-linux-gnu binutils-mips-linux-gnu # 编译汇编源码禁用标准库生成纯指令序列 mips-linux-gnu-gcc -marchmips32 -mabi32 -nostdlib -Ttext0x00000000 \ -o test_add.elf test_add.asm # 提取 .text 段为原始二进制供 Logisim 加载 mips-linux-gnu-objcopy -O binary -j .text test_add.elf test_add.bin # 转换为 32 位十六进制格式每行 4 字节适配 Logisim 内存加载 xxd -c4 -p test_add.bin | sed s/../0x,/g; s/,$// test_add.hex2.2.1test_add.hex格式解析与手动校验Logisim 的 ROM 加载要求.hex文件严格按 4 字节/行、小端序排列。以add $t0, $zero, $zero指令为例机器码0x00000020字节位置值十六进制说明0x000020指令最低字节小端序 LSB0x000100第二字节0x000200第三字节0x000300指令最高字节MSB若test_add.hex首行内容为0x20,0x00,0x00,0x00则表示该地址加载正确若为0x00,0x00,0x00,0x20则说明xxd未启用小端模式需改用xxd -c4 -p -E test_add.bin-E强制小端。3. 在单周期 CPU 上跑通第一个 MIPS 指令从复位到 PC 更新的完整时序单周期 CPU 实验是压缩包中最常出现的模块其核心在于理解“一个时钟周期完成一条指令”的硬件约束。以cpu/single_cycle_cpu.circ为例关键验证点不在最终结果而在每个阶段的中间信号是否符合教材时序图。3.1 复位后 PC 初始化与第一条指令获取启动 Logisim 后先关闭“Simulation → Tick Frequency”自动运行改为手动单步CtrlT。观察以下信号变化Reset 信号拉高时PC应强制置为0x00000000Instruction Memory地址线显示0x00000000Reset 下降沿后首个时钟上升沿PC值更新为0x00000004Instruction Memory地址线同步跳变同时IRInstruction Register锁存0x00000000NOP 指令。若PC未在 reset 后归零检查PC模块的 reset 引脚是否连接到全局 reset 信号而非反相后的信号常见错误reset与~reset接反。3.2 指令译码阶段从 IR 到控制信号的映射验证当IR 0x00000020add $t0,$zero,$zero时译码器应输出控制信号期望值依据RegWrite1R 型指令需写回寄存器ALUSrc0第二操作数来自寄存器而非立即数MemRead0无内存读操作MemWrite0无内存写操作Branch0非分支指令MemtoReg0写回数据来自 ALU 输出在 Logisim 中右键点击Control子电路 → “View Subcircuit”逐个点击输入引脚op[5..0]设置为000000观察输出引脚电平是否匹配上表。若RegWrite0说明op总线位宽配置错误应为 6 位非 5 位。3.2.1 ALU 运算阶段关键路径延迟与信号竞争检测R 型指令中ALU输入A来自Read Data 1$zero值为 0B来自Read Data 2$zero值为 0ALUOp由Control模块给出10ADD。此时需验证ALUResult在ALUOp稳定后 1 个门延迟内输出0x00000000Zero信号在ALUResult稳定后同步变为1Write Data写入寄存器堆的数据与Write Register目标寄存器编号在RegWrite1时严格对齐。若Zero信号滞后于ALUResult说明Zero检测逻辑使用了组合逻辑而非寄存器采样——这在单周期 CPU 中允许但必须确保其传播延迟小于时钟周期。可通过 Logisim 的 “Circuit → Analyze Circuit” 功能查看关键路径延迟报告。4. 流水线 CPU 的冒险检测与转发单元实现绕过数据相关陷阱当实验升级到五级流水线IF/ID/EX/MEM/WBcpu/pipeline_cpu.circ中最易出错的是数据冒险处理。压缩包若含forwarding_unit.circ则需重点验证其在lw $t0,0($s0)后紧跟add $t1,$t0,$t2时的行为。4.1 数据冒险场景复现与信号观测构造测试序列lw $t0, 0($s0) # MEM 阶段才写回 $t0 add $t1, $t0, $t2 # EX 阶段需读取 $t0但 ID 阶段仅能拿到旧值在 Logisim 中加载该程序单步至第二条指令进入EX阶段时观察ForwardA和ForwardB信号是否为11表示从 MEM/WB 回写数据转发ALUInputA是否等于MEM/WB.RegisterData即$t0的新值ALUInputB是否等于EX/MEM.RegisterData若add第二操作数为$t2此处应为$t2值。若ForwardA00导致ALUInputA取到 ID 阶段的$t0旧值0则说明转发单元未捕获EX/MEM.RegWrite1且EX/MEM.Rd ID/EX.Rs的条件。4.2 转发逻辑的 Verilog 等价实现与跨平台验证为确认 Logisim 逻辑无误可将forwarding_unit.circ导出为 Verilog 并用开源工具验证// forwarding_unit.v简化版 module forwarding_unit ( input logic [4:0] ID_EX_Rs, ID_EX_Rt, input logic [4:0] EX_MEM_Rd, input logic [4:0] MEM_WB_Rd, input logic EX_MEM_RegWrite, input logic MEM_WB_RegWrite, output logic [1:0] ForwardA, output logic [1:0] ForwardB ); assign ForwardA (EX_MEM_RegWrite (EX_MEM_Rd ID_EX_Rs)) ? 2b10 : (MEM_WB_RegWrite (MEM_WB_Rd ID_EX_Rs)) ? 2b01 : 2b00; assign ForwardB (EX_MEM_RegWrite (EX_MEM_Rd ID_EX_Rt)) ? 2b10 : (MEM_WB_RegWrite (MEM_WB_Rd ID_EX_Rt)) ? 2b01 : 2b00; endmodule使用iverilog编译并运行测试iverilog -o forwarding_tb.vvp forwarding_unit.v forwarding_tb.v vvp forwarding_tb.vvp测试激励需覆盖ID_EX_Rs5d1, EX_MEM_Rd5d1, EX_MEM_RegWrite1等边界条件输出ForwardA应为2b10。提示Logisim 中转发信号常以11表示“从 MEM/WB 转发”而 Verilog 实现中2b10表示“从 EX/MEM 转发”。务必核对信号编码定义避免跨平台误判。5. 实验报告自动化验证用 Python 脚本比对仿真输出与理论预期手工比对波形既低效又易错。压缩包若含verify.py其核心逻辑是解析 Logisim 的.out日志需提前在 Logisim 中启用 “Logging → Enable Logging”提取关键信号时间戳。5.1 解析 Logisim 日志的关键字段提取Logisim 默认日志格式为time\tcomponent\tsignal\tvalue例如1000 PC value 0x00000004 1000 IR value 0x00000020 1000 ALUResult value 0x00000000Python 脚本需按时间戳分组构建每个周期的信号快照# verify.py 关键片段 import re from collections import defaultdict def parse_log(log_path): cycles defaultdict(dict) with open(log_path) as f: for line in f: match re.match(r(\d)\t(\w)\tvalue\t(0x[0-9a-fA-F]), line) if match: time, comp, val match.groups() cycles[int(time)][comp] int(val, 16) return cycles # 验证 PC 在 cycle 1000 时是否为 0x00000004 cycles parse_log(simulation.log) assert cycles[1000][PC] 0x00000004, fPC error: got {cycles[1000][PC]:x}5.1.1 自动化比对表覆盖 5 类典型指令的信号断言指令类型测试用例必检信号期望值addadd $t0,$s0,$s1ALUResult,RegWrite,WriteRegisters0s1,1,5$t0 编号lwlw $t0,4($s0)MemRead,ALUResult,WriteData1,s04,memory[s04]swsw $t0,0($s1)MemWrite,ALUResult,WriteData1,s1,t0beqbeq $t0,$t1,labelBranch,ALUResult,Zero1,t0-t1,1若相等jj targetJump,PCNext1,target2脚本执行后生成report.html高亮失败项并标注实际值与期望值偏差替代人工翻查波形。5.2 FPGA 下载前的最后检查Verilog 综合兼容性扫描若实验目标是下载到 Basys3 或 Nexys4 开发板需确保.v文件符合 Xilinx Vivado 2022.1 综合规则# 使用 Yosys 进行轻量级 lint 检查避免启动 Vivado yosys -p read_verilog cpu_top.v; synth_xilinx -top cpu_top; stat重点关注警告Warning: Wire ... is assigned but never used→ 删除未连接的调试信号Warning: Non-synthesizable construct: initial block→ 将initial改为always (posedge clk)重置Warning: Latch inferred for signal ...→ 检查always (*)块中所有分支是否赋值完整。注意Logisim 导出的 Verilog 常含initial块用于仿真初始化FPGA 综合时必须移除否则综合失败。可用sed -i /initial/,/^$/d *.v批量清理需人工复核。本文还有配套的精品资源点击获取
