【计算机组成原理】单周期CPU设计与实现-十条指令CPU

单周期CPU设计与实现

合肥工业大学 计算机组成原理 实验五 单周期CPU设计与实现——十条指令CPU
自己在图上画出来指令的执行过程就会很清晰明了。首先确认有哪些模块，PC，指令存储器，CU，ACC,ALU,数据存储器，像多路选择器，符号位扩展模块都是根据指令后来添加的。再确认模块的输入信号和输出信号。当然，我也一下子无法把每个模块的输入信号和输出信号的数量确定好，这是一个增量过程，根据不同的指令变化而变化，但是大致还是能确定一些的。

然后，在纸上画出每条指令的执行过程。比如CLA指令，一条指令从指令存储器出来，操作码送入CU,剩余的部分根据指令需求送入不同模块。从CU出来的是ACC的写信号，也有alu的操作控制信号。下一个周期有效。ACC中的数据会输入到ALU中，从ALU中的计算的结果还要回写到ACC中。剩余的非访存指令皆是如此。

PC模块

module PC(clk,rst,stop,//停机信号jmp,//无条件跳转信号，为1跳转ban,//有条件条跳转信号，为1跳转newAddress,currentAddress);
input clk,rst,stop,jmp,ban;
input[11:0]newAddress;
output reg[11:0] currentAddress;reg state;
initial beginstate = 1; currentAddress = 0;
end
always@(posedge clk or negedge rst)beginif(stop)state = 0; if(!rst)currentAddress = 0;else beginif(state)beginif(!jmp && !ban)currentAddress = currentAddress + 1;else beginif(jmp)currentAddress = newAddress;if(ban)currentAddress = currentAddress+newAddress;endendend
end
endmodule

InsMemory模块

本来想通过条件跳转实现一个从1+2+3+…+n的程序的，但是由于判断条件在ACC,结果也放到ACC中，因此就无法实现。如果再写一个寄存器堆的话，就可以实现了。再写个寄存器堆工作量又要上升不少，所以采取很笨的方法，多写几条加法指令就行了。

module InsMemory(input[11:0] Addr,output reg[15:0] Ins);reg[15:0]unit[5'd31:0];//32个16位存储单元initial beginunit[0] = 16'b0110_0000_0000_0001;//取数，将地址为1的数据放到ACC中unit[1] = 16'b0000_0000_0000_0000;//清除ACC，unit[2] = 16'b0100_0000_0000_0001;//加法，将地址为1的数据与ACC相加unit[3] = 16'b0100_0000_0000_0010;//加法，将地址为2的数据与ACC相加unit[4] = 16'b0100_0000_0000_0011;//加法，将地址为3的数据与ACC相加unit[5] = 16'b0100_0000_0000_0100;//加法，将地址为4的数据与ACC相加unit[6] = 16'b0100_0000_0000_0101;//加法，将地址为5的数据与ACC相加unit[7] = 16'b0011_0000_0000_0101;//ACC循环左移unit[8] = 16'b0010_0000_0000_0110;//ACC算术右移unit[9] = 16'b0111_0000_0000_1101;//无条件跳转，直接跳转到第13条指令unit[10] = 16'b0100_0000_0000_0110;//加法，将地址为6的数据与ACC相加unit[11] = 16'b0100_0000_0000_0111;//加法，将地址为7的数据与ACC相加unit[12] = 16'b0100_0000_0000_1000;//加法，将地址为8的数据与ACC相加unit[13] = 16'b0001_0000_0000_1001;//ACC取反unit[14] = 16'b1000_0000_0000_0011;//有条件跳转，相对当前指令，向下跳转3条，也就是第17条指令unit[15] = 16'b0100_0000_0000_1001;//加法，将地址为9的数据与ACC相加unit[16] = 16'b0100_0000_0000_1010;//加法，将地址为10的数据与ACC相加unit[17] = 16'b0101_0000_0000_0000;//存数，将ACC存放到数据存储器地址为0的存储单元中unit[18] = 16'b1111_0000_0000_1001;//停机指令endalways@(*)beginIns = unit[Addr];end endmodule

ACC模块

module ACC(input clk,input AccRW,//读写信号input[15:0] indata,output[15:0] outdata);reg[15:0] acc;initial beginacc = 0;   endassign outdata = acc;always@(posedge clk)beginif(AccRW)acc = indata;end
endmodule

ALU模块

module ALU(input [3:0]alu_op,input[15:0]in1,in2,output reg flag,//当ACC的最高位为1时，输出1output reg[15:0] result);always@(*)begincase(alu_op) 4'b0000: result = 0;//清除4'b0001: result = ~in1;//取反4'b0010: result = in1[15] == 1 ? {1'b1,in1[15:1]} : {1'b0,in1[15:1]};//逻辑右移4'b0011: result = {in1[14:0],in1[15]};//循环左移4'b0100: result = in1 + in2;//加法default:result = 0;endcaseflag = in1[15];end
endmodule

DataMemory模块

module DataMemory(clk,DataRW,//读写信号，当为1时，写入;为0时，读出DAddr, //读或写的地址DataIn,//要写入的数据DataOut,//要读出的数据);input clk,DataRW;input[11:0] DAddr;input[15:0] DataIn;output [15:0] DataOut;reg [15:0] memory[9'd511:0];//512个16位存储单元integer i;initial beginfor(i=0;i<512;i=i+1)memory[i] = i;endalways@(posedge clk)beginif(DataRW)memory[DAddr] = DataIn;endassign DataOut = memory[DAddr];endmodule

二路选择器模块

module Multiplexer16(control, //选择信号，当为1时，输出in1,当为0时，输出in0in1,in0,out);input control;input[15:0] in1,in0;output[15:0] out;assign out = control ? in1:in0;
endmodule

ControlUnit模块

module ControlUnit(input [3:0]op,output reg stop,output reg jmp,output reg jcc,output reg Mem_Alu,//二路选择器信号，当为1时，输出Memoutput reg AccRW,//ACC读写信号，为1时写output reg DataMemRW,//数据存储器读写信号output reg[3:0]alu_op//alu控制信号);initial beginstop = 0;jmp = 0;jcc = 0;Mem_Alu = 0;AccRW = 0;DataMemRW = 0;alu_op = 0;     endalways@(*)begincase(op)//CLA   清除4'b0000:beginstop = 0;jmp = 0;jcc = 0;Mem_Alu = 0;AccRW = 1;DataMemRW = 0;alu_op = 0;     end//COM   取反4'b0001:beginstop = 0;jmp = 0;jcc = 0;Mem_Alu = 0;AccRW = 1;DataMemRW = 0;alu_op = 4'b0001;     end//SHR   算术右移4'b0010:beginstop = 0;jmp = 0;jcc = 0;Mem_Alu = 0;AccRW = 1;DataMemRW = 0;alu_op = 4'b0010;   end//CSL   循环左移4'b0011:beginstop = 0;jmp = 0;jcc = 0;Mem_Alu = 0;AccRW = 1;DataMemRW = 0;alu_op = 4'b0011;   end//ADD   加法4'b0100:beginstop = 0;jmp = 0;jcc = 0;Mem_Alu = 0;AccRW = 1;DataMemRW = 0;alu_op = 4'b0100;   end//STA   存数4'b0101:beginstop = 0;jmp = 0;jcc = 0;Mem_Alu = 0;AccRW = 0;DataMemRW = 1;alu_op = 4'b0000;   end//LDA     取数4'b0110:beginstop = 0;jmp = 0;jcc = 0;Mem_Alu = 1;AccRW = 1;DataMemRW = 0;alu_op = 4'b0000;   end//JMP   无条件跳转4'b0111:beginstop = 0;jmp = 1;jcc = 0;Mem_Alu = 0;AccRW = 0;DataMemRW = 0;alu_op = 4'b0000; end//BAN   有条件跳转4'b1000:beginstop = 0;jmp = 0;jcc = 1;Mem_Alu = 0;AccRW = 0;DataMemRW = 0;alu_op = 4'b0000; end//STP   停机4'b1111:beginstop = 1;jmp = 0;jcc = 0;Mem_Alu = 0;AccRW = 0;DataMemRW = 0;alu_op = 4'b0000; enddefault:beginstop = 0;jmp = 0;jcc = 0;Mem_Alu = 0;AccRW = 0;DataMemRW = 0;alu_op = 0;  endendcaseend
endmodule

顶层模块

module SignleCPU(input clk,input rst,output[3:0]op,output[11:0]addr,//指令分割操作码后的剩余部分output[15:0]acc_in,output[15:0]acc_out);wire[11:0]currentAddress;wire stop,jmp,ban,jcc,Mem_Alu,AccRW,DataMemRW,flag;wire[3:0] alu_op;wire[15:0]Ins,DataMem_out,result;PC pc(clk,rst,stop,jmp,ban,addr,currentAddress);InsMemory insmemory(currentAddress,Ins);assign op = Ins[15:12];assign addr = Ins[11:0];ControlUnit cu(op,stop,jmp,jcc,Mem_Alu,AccRW,DataMemRW,alu_op);ACC acc(clk,AccRW,acc_in,acc_out);ALU alu(alu_op,acc_out,DataMem_out,flag,result);assign ban = jcc & flag;DataMemory datamemory(clk,DataMemRW,addr,acc_out,DataMem_out);Multiplexer16 mul16(Mem_Alu,DataMem_out,result,acc_in);endmodule

测试模块

module Test();reg clk,rst;wire[3:0]op;wire[11:0]addr;wire[15:0]acc_out,acc_in;SignleCPU f(clk,rst,op,addr,acc_in,acc_out);initial beginclk = 0;rst=1;#155 $stop;endalways #5 clk = ~clk;
endmodule

波形图要结合指令来看