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单周期cpu设计代码讲解
概念回顾
一、电子计算机的部件
分为：中央处理器（cpu）、内部存储器（Memory）、输入/输出（I/O）设备，以及连接它们的总线（Bus）。下图为图示，注意色块的区分。
二、cpu
又包括控制器（Controller）和数据通路（Data Path）。下图为图示，注意色块区分。
三、控制器
分为主控（Main Control）和局控（Local Control或ALU Control）。将二进制指令输入控制器，生成控制信号，该过程称为译码。控制信号控制数据通路工作。且不同的指定对应不同的控制信号。
下图为在控制器中译码的逻辑示意图：
下图为在控制器中译码的物理示意图：
讲解一下从逻辑图到物理图的转换：
- 首先由主控解析op指令，如果发现该指令为“000000”则表示该指令是R指令，输出中间信号R-Type为1，否则为0；如果发现该指令是其他值，则按照逻辑图，为RegDst等信号赋相应的值；
- 中间信号R-Type起到二路选择的作用，如图。
- 中间信号ALUop，在R-Type为0（选择0路）时，直接通过局控，输出成为ALUctr信号，对应上面逻辑图的最后一行后5列；在R-Type为1时，局控起作用。
- 局控解析R指令的func部分，输出对应指令的ALUctr信号。
四、数据通路：
是包括运算器、寄存器组、存储器（高速缓存）、多路选择器等等在内的元件的有结构的组合。如下图所示：
【数据通路各部分的讲解将结合代码完成】
Verilog代码讲解
在代码讲解之前有必要放几张图：
shift.v
/*移位*/
/*输入一个数，返回移位之后的结果*/
/*输入d(待移的数)、sa(移动的位数)、right(移动方向)、arith(空位补全方式)*/
/*输出sh(移位后的结果)*/
module shift (d,sa,right,arith,sh);
input [31:0] d;
input [4:0] sa;
input right,arith;
output [31:0] sh;
reg [31:0] sh;
// 组合逻辑
always @* begin
if (!right) begin // right为逻辑0时，左移
sh = d << sa;
end else if (!arith) begin // right为逻辑1，且arith为逻辑0时，右移、0补空
sh = d >> sa;
end else begin // 右移、1补空
sh = $signed(d) >>> sa;
end
end
endmodule
scinstmem.v
/*从ROM（只读存储器）读数据*/
/*输入目标数据在ROM中的地址a*/
/*输出地址对应的数据inst*/
module scinstmem (a,inst);
input [31:0] a;
output [31:0] inst;
wire [31:0] rom [0:31]; // 定义32个32位的存储器ROM
// 想ROM中写入一组指令，指令对应的汇编含义见行注释
assign rom[5'h00] = 32'h3c010000; // (00) main: lui r1,0
assign rom[5'h01] = 32'h34240050; // (04) ori r4,r1,80
assign rom[5'h02] = 32'h20050004; // (08) addi r5,r0, 4
assign rom[5'h03] = 32'h0c000018; // (0c)call: jal sum
assign rom[5'h04] = 32'hac820000; // (10) sw r2,0(r4)
assign rom[5'h05] = 32'h8c890000; // (14) lw r9, 0(r4)
assign rom[5'h06] = 32'h01244022; // (18) sub r8, r9. r4
assign rom[5'h07] = 32'h20050003; // (lc) addi r5, r0. 3
assign rom[5'h08] = 32'h20a5ffff; // (20) loop2: addi r5, r5, -1
assign rom[5'h09] = 32'h34a8ffff; // (24) ori r8, r5, 0xffff
assign rom[5'h0A] = 32'h39085555; // (28) xori r8. r8, 0x5555
assign rom[5'h0B] = 32'h2009ffff; // (2c) addi r9, rO, -1
assign rom[5'h0C] = 32'h312affff; // (30) andi rlO, r9, 0xffff
assign rom[5'h0D] = 32'h01493025; // (34) or r6. rlO, r9
assign rom[5'h0E] = 32'h01494026; // (38) xor r8, rlO, r9
assign rom[5'h0F] = 32'h01463824; // (3c) and r7, rlO, r6
assign rom[5'h10] = 32'h10a00001; // (40) beq r5, r0, shift
assign rom[5'h11] = 32'h08000008; // (44) j loop2
assign rom[5'h12] = 32'h2005ffff; // (48) shift: addi r5. r0, -1
assign rom[5'h13] = 32'h000543c0; // (4c) sll r8. r5. 15
assign rom[5'h14] = 32'h00084400; // (50) sll r8, r8, 16
assign rom[5'h15] = 32'h00084403; // (54) sra r8, r8, 16
assign rom[5'h16] = 32'h000843c2; // (58) srl r8. r8. 15
assign rom[5'h17] = 32'h08000017; // (5c) finish: j finish
assign rom[5'h18] = 32'h00004020; // (60) sum: add r8, r0, r0
assign rom[5'h19] = 32'h8c890000; // (64) loop: lw r9, (r4)
assign rom[5'h1A] = 32'h20840004; // (68) addi r4, r4, 4
assign rom[5'h1B] = 32'h01094020; // (6c) add r8, r8, r9
assign rom[5'h1C] = 32'h20a5ffff; // (70) addi r5, r5, -1
assign rom[5'h1D] = 32'h14a0fffb; // (74) bne rS, r0, loop
assign rom[5'h1E] = 32'h00081000; // (78) sll r2f r8f 0
assign rom[5'h1F] = 32'h03e00008; // (7c) jr r31
// 将地址对应的数据放入inst
assign inst = rom[a[6:2]];
endmodule
scdatamem.v
/*将数据写入RAM中（随机存取存储器）的指定位置*/
/*输入待写数据datain、目标地址addr；写使能信号we；时钟信号clk、inclk、outclk*/
/*输出将被覆盖的数据dataout*/
module scdatamem (clk,dataout,datain,addr,we,inclk,outclk);
input [31:0] datain;
input [31:0] addr ;
input clk, we, inclk, outclk;
output [31:0] dataout;
reg [31:0] ram [0:31]; // 定义32个32位RAM
// 把将被覆盖的数据放入dataout
assign dataout =ram[addr[6:2]];
// 时序逻辑，clk的上升沿触发
always @ (posedge clk) begin
if (we) ram[addr[6:2]] = datain; // 如果写使能信号we为1，将数据写入目标地址
end
// 为RAM赋值，这一步不是必要的，只是欲运行的自定义程序的需要。
integer i;
initial begin
for (i = 0;i < 32;i = i + 1)
ram[i] = 0;
ram[5'h14] = 32'h000000a3;
ram[5'h15] = 32'h00000027;
ram[5'h16] = 32'h00000079;
ram[5'h17] = 32'h00000115;
end
endmodule
sccu_dataflow.v
/*基于MIPS指令集的控制器*/
/*输入指令的op字段、func字段、z信号*/
/*输出wreg,regrt，aluc,pcsource等等控制信号*/
module sccu_dataflow (op,func,z,wmem,wreg,regrt,m2reg,aluc,shift,aluimm,pcsource,jal,sext);
input [5:0] op,func;
input z;
output wreg,regrt,jal,m2reg,shift,aluimm,sext,wmem;
output [3:0] aluc;
output [1:0] pcsource;
// 确定内部信号r_type的值
wire r_type = ~|op;
// 如果r_type为真，根据func，确定是哪一种R型指令
wire i_add = r_type&func[5]&~func[4]&~func[3]&~func[2]&~func[1]&~func[0];
wire i_sub = r_type&func[5]&~func[4]&~func[3]&~func[2]&func[1]&~func[0];
wire i_and = r_type&func[5]&~func[4]&~func[3]&func[2]&~func[1]&~func[0];
wire i_or = r_type&func[5]&~func[4]&~func[3]&func[2]&~func[1]&func[0];
wire i_xor = r_type&func[5]&~func[4]&~func[3]&func[2]&func[1]&~func[0];
wire i_sll = r_type&~func[5]&~func[4]&~func[3]&~func[2]&~func[1]&~func[0];
wire i_srl = r_type&~func[5]&~func[4]&~func[3]&~func[2]&func[1]&~func[0];
wire i_sra = r_type&~func[5]&~func[4]&~func[3]&~func[2]&func[1]&func[0];
wire i_jr = r_type&~func[5]&~func[4]&func[3]&~func[2]&~func[1]&~func[0];
// 如果r_type为假，根据op，确定是哪一种指令
wire i_addi = ~op[5]&~op[4]&op[3]&~op[2]&~op[1]&~op[0];
wire i_andi = ~op[5]&~op[4]&op[3]&op[2]&~op[1]&~op[0];
wire i_ori = ~op[5]&~op[4]&op[3]&op[2]&~op[1]&op[0];
wire i_xori = ~op[5]&~op[4]&op[3]&op[2]&op[1]&~op[0];
wire i_lw = op[5]&~op[4]&~op[3]&~op[2]&op[1]&op[0];
wire i_sw = op[5]&~op[4]&op[3]&~op[2]&op[1]&op[0];
wire i_beq = ~op[5]&~op[4]&~op[3]&op[2]&~op[1]&~op[0];
wire i_bne = ~op[5]&~op[4]&~op[3]&op[2]&~op[1]&op[0];
wire i_lui = ~op[5]&~op[4]&op[3]&op[2]&op[1]&op[0];
wire i_j = ~op[5]&~op[4]&~op[3]&~op[2]&op[1]&~op[0];
wire i_jal = ~op[5]&~op[4]&~op[3]&~op[2]&op[1]&op[0];
// 在确定了指令的情况下，确定控制信号的取值
assign wreg = i_add|i_sub|i_and|i_or|i_xor|i_sll|i_srl|i_sra|i_addi|i_andi|i_ori|i_xori|i_lw|i_lui|i_jal;
assign regrt= i_addi|i_andi|i_ori|i_xori|i_lw|i_lui;
assign jal= i_jal;
assign m2reg= i_lw;
assign shift=i_sll|i_srl|i_sra;
assign aluimm=i_addi|i_andi|i_ori|i_xori|i_lw|i_lui|i_sw;
assign sext =i_addi|i_lw|i_sw|i_beq|i_bne;
assign aluc[3]=i_sra;
assign aluc[2]=i_sub|i_or|i_srl|i_sra|i_ori|i_lui;
assign aluc[1]=i_xor|i_sll|i_sra|i_xori|i_beq|i_bne|i_lui;
assign aluc[0]=i_and|i_or|i_sll|i_srl|i_sra|i_andi|i_ori;
assign wmem = i_sw;
assign pcsource[1]=i_jr|i_j|i_jal;
assign pcsource[0]=i_beq&z|i_bne&~z|i_j|i_jal;
endmodule
mux2x32.v
/*32位二路选择器*/
/*输入决定选择哪一路的控制信号s，输入待选择的信号a0、a1*/
/*输出被选择的信号y*/
module mux2x32 (a0,a1,s,y);
input [31:0] a0,a1;
input s;
output [31:0] y;
assign y = s?a1:a0; // 如果s为1，选择a1，否则选择a0
endmodule
mux2x5.v
/*5位二路选择器*/
/*逻辑同上*/
module mux2x5 (a0,a1,s,y);
input [4:0] a0,a1;
input s;
output [4:0] y;
assign y = s?a1:a0;
endmodule
mux4x32.v
/*32位四路选择器*/
/*待选择的数是a0~a3，控制信号为s，选择结果为y*/
/*s如何控制，由case语句决定*/
module mux4x32 (a0,a1,a2,a3,s,y);
input [31:0] a0,a1,a2,a3;
input [1:0] s;
output [31:0] y;
function [31:0] select;
input [31:0] a0,a1,a2,a3;
input [1:0] s;
case (s)
2'b00: select = a0; //s为00时，选择a0
2'b01: select = a1;
2'b10: select = a2;
2'b11: select = a3;
endcase
endfunction
assign y = select(a0,a1,a2,a3,s); // y为选择的结果
endmodule
dff32.v
/*将数据送入指定寄存器*/
/*输入待存数据d，待存寄存器q；时钟clk和clrn*/
/*没有输出*/
module dff32(d,clk,clrn,q);
input [31:0] d;
input clk,clrn;
output [31:0] q;
reg [31:0] q;
/*时序逻辑，clk的上升沿降沿触发、clrn的下降沿触发*/
always @ (negedge clrn or posedge clk)
// clrn是清零时钟
if (clrn == 0) begin // 当清零时钟到来时
q <= 0; // 为q赋值0
end else begin
q <= d; // 否则赋值d
end
endmodule
cla32.v
/*下面所有程序都是为了实现一个东东：32位并行加法器*/
/*从最基本的加法进位模型add实现全加器cla_2，
逐步集成为4位全加器cla_4、8位的全加器cla_8、
16位全加器cla_16、32位全加器cla_32,
最终实现32位并行加法器cla32
*/
/*加数是a、b，和是s*/
/*借位是ci，进位是co*/
module cla32 (a,b,ci,s,co);
input [31:0] a,b;
input ci;
output [31:0] s;
output co;
wire g_out, p_out;
cla_32 cla (a,b, ci,g_out,p_out, s); // 向下调用
assign co = g_out| p_out & ci;
endmodule
module add(a,b,c,g,p,s);
input a,b,c;
output g,p,s;
assign s = a^b^c;
assign g = a & b;
assign p = a | b;
endmodule
module g_p (g,p,c_in,g_out,p_out,c_out);
input [1:0] g,p;
input c_in;
output g_out, p_out, c_out;
assign g_out = g[1]|p[1] & g[0];
assign p_out = p[1] & p[0];
assign c_out = g[0] | p[0] & c_in;
endmodule
module cla_2 (a,b,c_in,g_out,p_out,s) ;
input [1:0] a,b;
input c_in;
output g_out, p_out;
output [1:0] s;
wire [1:0] g,p;
wire c_out;
add add0 (a[0],b[0],c_in, g[0],p[0],s[0]);
add add1 (a[1],b[1],c_out, g[1],p[1],s[1]);
g_p g_p0 (g,p,c_in, g_out,p_out,c_out);
endmodule
module cla_4 (a,b, c_in,g_out,p_out,s);
input [3:0] a,b;
input c_in;
output g_out, p_out;
output [3:0] s;
wire [1:0] g,p;
wire c_out;
cla_2 cla0 (a[1:0],b[1:0],c_in, g[0],p[0],s[1:0]);
cla_2 clal (a[3:2],b[3:2],c_out,g[1],p[1],s[3:2]);
g_p g_p0 (g,p,c_in, g_out,p_out,c_out);
endmodule
module cla_8 (a,b, c_in,g_out,p_out, s);
input [7:0] a,b;
input c_in;
output g_out, p_out;
output [7:0] s;
wire [1:0] g,p;
wire c_out;
cla_4 cla0 (a[3:0],b[3:0],c_in, g[0],p[0],s[3:0]);
cla_4 c1a1 (a[7:4],b[7:4],c_out,g[1],p[1],s[7:4]);
g_p g_p0 (g,p,c_in, g_out,p_out,c_out);
endmodule
module cla_16 (a,b, c_in,g_out,p_out, s);
input [15:0] a,b;
input c_in;
output g_out, p_out;
output [15:0] s;
wire [1:0] g,p;
wire c_out;
cla_8 cla0 (a[7:0],b[7:0],c_in,g[0],p[0],s[7:0]);
cla_8 cla1 (a[15:8],b[15:8],c_out,g[1],p[1],s[15:8]);
g_p g_p0 (g,p,c_in, g_out,p_out,c_out);
endmodule
module cla_32 (a,b,c_in,g_out,p_out, s);
input [31:0] a,b;
input c_in;
output g_out, p_out;
output [31:0] s;
wire [1:0] g,p;
wire c_out;
cla_16 c1a0 (a[15:0],b[15:0],c_in,g[0],p[0],s[15:0]);
cla_16 c1a1 (a[31:16],b[31:16],c_out,g[1],p[1],s[31:16]);
g_p g_p0 (g,p,c_in, g_out,p_out,c_out);
endmodule
addsub32.v
/*32位加减运算模块*/
/*调用32位加法模块*/
/*是加是减，取决于sub的取值*/
module addsub32(a,b,sub,s);
input [31:0] a,b;
input sub;
output [31:0] s;
cla32 as32 (a,b^{32{sub}},sub,s);
endmodule
alu.v
/*alu算数逻辑单元*/
/*输入操作数a、b，操作类型信号aluc*/
/*输出运算结果r；z是？*/
module alu (a,b,aluc,r,z);
input [31:0] a,b;
// aluc是3位的，每一位都有作用，见下
input [3:0] aluc;
output [31:0] r;
output z;
wire [31:0] d_and = a & b; // 求和
wire [31:0] d_or = a | b; // 求或
wire [31:0] d_xor = a ^ b; // 求异或
wire [31:0] d_lui = {b[15:0],16'h0}; // 拼接，低16位补0
wire [31:0] d_and_or = aluc[2]? d_or : d_and; // aluc[2]决定 与/或
wire [31:0] d_xor_1ui= aluc[2]? d_lui : d_xor; // aluc[2]决定 异或/拼接
wire [31:0] d_as,d_sh; // 加减法结果保存到d_as中；移位结果存入d_sh中
// aluc[2]控制加减法
addsub32 as32 (a,b,aluc[2],d_as);
// b为待移的数，a[4:0]为移动位数，aluc[2]决定左右移，aluc[3]决定补全方式，结果保存在d_sh中
shift shifter (b,a[4:0],aluc[2],aluc[3],d_sh) ;
// 四路选择，aluc[1:0]控制选择哪一路，r为选择结果
mux4x32 se1ect (d_as,d_and_or, d_xor_1ui, d_sh, aluc[1:0],r);
assign z = ~|r;
endmodule
regfile.v
/*读寄存器堆、写寄存器堆*/
/*输入将要读取哪一个寄存器rna、rnb；输出读出的内容qa、qb*/
/*输入写使能we、待写入的寄存器wn，待写入的数据d*/
/*输入时钟clk、clrn*/
module regfile (rna, rnb, d, wn,we, clk, clrn, qa, qb);
input [4:0] rna,rnb,wn;
input [31:0] d;
input we, clk, clrn;
output [31:0] qa,qb;
reg [31:0] register [1:31]; // 定义32个32位寄存器
// 读寄存器
// 如果指定的是rna，即rna不为0，将rna寄存器中的内容放入qa
assign qa = (rna == 0) ? 0 : register[rna];
// 如果指定的是rnb，即rnb不为0，将rnb寄存器中的内容放入qb
assign qb = (rnb == 0) ? 0 : register[rnb];
// 写寄存器
// 时序逻辑，clk的上升沿或clrn的下降沿触发
always @(posedge clk or negedge clrn)
begin
if (clrn==0) // 当为清空时钟信号时
begin
integer i;
for(i=1;i<32;i=i+1)
register[i] <= 0; // 清空所有寄存器
end
else if((wn!=0)&&we) // 当写使能为逻辑1，且wn不是0时
register[wn] <= d; // 将d写入wn寄存器
end
endmodule
sccpu_dataflow.v
/*cpu*/
/*输入时钟信号clock、是否进行清零的信号resetn*/
/*输入32位指令inst、以及其他值*/
module sccpu_dataflow(clock, resetn, inst, mem, pc, wmem, alu, data);
input [31:0] inst,mem;
input clock, resetn;
output [31:0] pc,alu,data;
output wmem;
wire [31:0] p4 , bpc, npc, adr, ra, alua, alub, res, alu_mem;
wire [3:0] aluc;
wire [4:0] reg_dest, wn;
wire [1:0] pcsource;
wire zero, wmem, wreg, regrt, m2reg, shift, aluimm, jal, sext;
wire [31:0] sa = {27'b0,inst[10:6]};
wire [31:0] offset = {imm[13:0],inst[15:0],2'b00};
/*控制器*/
// 输入inst[31:26]即op字段、inst[5:0]即func字段、0标志位zero
// 输出wmem、wreg等控制信号
sccu_dataflow cu (inst[31:26] , inst[5:0] , zero, wmem,wreg,regrt,m2reg, aluc, shift, aluimm,pcsource, jal, sext);
/*0拓展或符号拓展*/
wire e = sext & inst[15]; // 取出0或者符号
wire [15:0] imm = {16{e}};
wire [31:0] immediate = {imm,inst[15:0]}; // 拼接、拓展
/*修改PC，使PC指向下一条地址*、
dff32 ip (npc,clock,resetn,pc); // 将npc（即下一条指令的地址）写入寄存器pc
/*计算下地址*/
// 四路选择器的0路
cla32 pcplus4 (pc,32'h4,1'b0,p4); // pc和32位十六进制4相加，再加上进位0，结果放入p4
// 四路选择器的1路
cla32 br_adr (p4,offset,1'b0, adr); // p4和拓展后的imm相加，再加上进位0，结果放入adr
// 四路选择器的3路
wire [31:0] jpc = {p4[31:28],inst[25:0],2'b00}; // 如图
/*二路选择器*/
// ③号。在ra即q1、sa之间选择，控制信号是shift，选择结果为alua
mux2x32 alu_a (ra,sa,shift,alua);
// ④号。在data即q2、immediate之间选择，控制信号是aluimm，选择结果为alub
mux2x32 alu_b (data, immediate,aluimm, alub);
// ⑤号。在alu即r、mem即do之间选择，控制信号是m2reg,选择结果为alu_mem
mux2x32 result (alu,mem,m2reg,alu_mem);
// ②号。在alu_mem、p4之间选择，控制信号是jal即call，选择结构是res
mux2x32 link (alu_mem,p4,jal,res);
// ①号。在inst[15:11]即rd，inst[20: 16]即rt之间选择，控制信号是regrt，选择结果是reg_dest
mux2x5 reg_wn (inst[15:11], inst[20: 16] , regrt, reg_dest);
// 对应图中的①号后面的f器件（不知道做什么的...）
assign wn = reg_dest | {5{jal}};
/*四路选择器，计算下地址*/
// 在p4、adr即addr、ra即q1、jpc即p4+immidiate<<2，之间选择，控制信号是pcsource，选择结果是npc
mux4x32 nextpc (p4,adr,ra, jpc,pcsource,npc);
/*寄存器组*/
// 定义一个寄存器，输入端口是inst[25:21]即rs(n1)、inst[20:16]即rt(n2)
// 输出端口是data即ra即q1、data即q2
// 输入写使能wreg、待写寄存器wn即n
// 输入时钟clock即clk、清零时钟resetn
regfile rf (inst[25:21] ,inst[20:16] ,res,wn,wreg,clock,resetn,ra,data);
/*alu*/
// 操作数是alua、alub，操作结果是aluu空r、标志位zero即z
// 控制信号是aluc
alu al_unit (alua,alub,aluc,alu, zero);
endmodule
sccmop_dataflow.v
/*最顶层的控制模块*/
/*输入时钟clock和resetn*/
/*输出 指令inst、PC的值pc、ALU的运算结果aluout、存储器的输出memout、时钟信号mem_clk*/
module sccomp_dataflow(clock, resetn, inst, pc, aluout, memout,mem_clk);
input clock, resetn,mem_clk;
output [31:0] inst,pc, aluout,memout;
wire [31:0] data;
wire wmem;
// 实例化一个cpu
sccpu_dataflow s (clock, resetn, inst,memout,pc, wmem, aluout, data);
// 实例化一个ROM
scinstmem imem (pc,inst);
// 实例化一个RAM
scdatamem dmem (clock, memout, data, aluout, wmem, mem_clk, mem_clk);
endmodule