实验目的

  • 熟悉并掌握 MIPS 计算机中寄存器堆的原理和设计方法
  • 理解源操作数/目的操作数的概念

实验环境

  • Vivado 集成开发环境

MIPS寄存器

  • 寄存器R0的值恒为0

模块接口设计

1个写端口和2个读端口

名称 宽度 方向 描述
clk 1 IN 时钟信号
raddr1 5 IN 寄存器堆读地址1
rdata1 32 OUT 寄存器堆返回数据1
raddr2 5 IN 寄存器堆读地址2
rdata2 32 OUT 寄存器堆返回数据2
we 1 IN 寄存器堆写使能
waddr 5 IN 寄存器堆写地址
wdata 32 IN 寄存器堆写数据

寄存器堆(regfile)实现了32个32位通用寄存器。

  • 可以同时进行两个寄存器的读操作和一个寄存器的写操作。
  • 写:写使能信号(we)为1时写有效,为0时无效。(write enable
  • 读:读操作可以同时读两个寄存器。
  • 同时对同一个寄存器进行读写时,读的数据为旧的数据。
  • 读写均为同步。
  • 0号寄存器恒为0。

设计代码

`define REG_DATA_WIDTH 31:0
`define REG_NUM 31:0
`define REG_ADDR_WIDTH 4:0
`define REG_ADDR_BIT 5 // 地址线宽
`define REG_DATA_BIT 32 // 数据线宽
module regfile(
input clk,
input [`REG_ADDR_WIDTH] raddr1,
input [`REG_ADDR_WIDTH] raddr2,
input we, // 写使能
input [`REG_ADDR_WIDTH] waddr, // 写地址
input [`REG_DATA_WIDTH] wdata, // 写数据
output reg [`REG_DATA_WIDTH] rdata1,
output reg [`REG_DATA_WIDTH] rdata2
); // 数组表示寄存器堆
reg [`REG_DATA_WIDTH] mips_regfile [`REG_NUM]; // 读1
always @(posedge clk) begin
if (raddr1 == {`REG_ADDR_BIT{1'b0}}) begin
rdata1 <= {`REG_DATA_BIT{1'b0}};
end
else begin
rdata1 <= mips_regfile[raddr1];
end
end
// 读2
always @(posedge clk) begin
if (raddr2 == {`REG_ADDR_BIT{1'b0}}) begin
rdata2 <= {`REG_DATA_BIT{1'b0}};
end
else begin
rdata2 <= mips_regfile[raddr2];
end
end
// 写
always @(posedge clk) begin
if (we == 1'b1 ) begin
if (waddr == {`REG_ADDR_BIT{1'b0}}) begin
mips_regfile[0] <= {`REG_DATA_BIT{1'b0}};
end
else begin
mips_regfile[waddr] <= wdata;
end
end
else begin
mips_regfile[0] <= {`REG_DATA_BIT{1'b0}};
end
end endmodule

测试

测试代码

`timescale 1ns / 1ps

`define REG_DATA_WIDTH 31:0
`define REG_NUM 31:0
`define REG_ADDR_WIDTH 4:0
`define REG_ADDR_BIT 5
`define REG_DATA_BIT 32
module sim();
reg clk;
reg [`REG_ADDR_WIDTH] raddr1;
reg [`REG_ADDR_WIDTH] raddr2;
reg we; // 写使能
reg [`REG_ADDR_WIDTH] waddr; // 写地址
reg [`REG_DATA_WIDTH] wdata; // 写数据
wire [`REG_DATA_WIDTH] rdata1;
wire [`REG_DATA_WIDTH] rdata2; integer i;
regfile u0 (
.clk(clk),
.raddr1(raddr1),
.raddr2(raddr2),
.we(we),
.waddr(waddr),
.wdata(wdata),
.rdata1(rdata1),
.rdata2(rdata2)
);
initial begin
clk = 1;
forever begin
#10 clk = ~clk;
end
end initial begin
raddr1 = `REG_ADDR_BIT'd0;
raddr2 = `REG_ADDR_BIT'd0;
we = 1'b0;
waddr = `REG_ADDR_BIT'd0;
wdata = `REG_DATA_BIT'd0; // 写数据
#100
we = 1'b1;
wdata = `REG_DATA_BIT'hFF;
for (i = 0; i < `REG_DATA_BIT; i = i + 1) begin
waddr = i;
wdata = wdata + `REG_DATA_BIT'h100;
#20;
end
// 读数据
we = 1'b0; for (i = 0; i < `REG_DATA_BIT; i = i + 1) begin
raddr1 = i;
raddr2 = `REG_DATA_BIT - raddr1 - 1;
#20;
end // 读写相同
// 读到的数据是旧数据
we = 1'b1;
wdata = `REG_DATA_BIT'h100;
for (i = 0; i < `REG_DATA_BIT; i = i + 1) begin
raddr1 = i;
raddr2 = i;
waddr = i;
wdata = wdata - `REG_DATA_BIT'h1;
#20;
end we = 1'b0;
#100 $finish; end
endmodule

测试波形

写数据:

从 0号寄存器开始到 31号寄存器,分别写入 01ff到 20ff。

读数据:

读地址 1和读地址 2分别读寄存器值,0号寄存器读得值为 0。其余寄存器读值正确。

结果分析

先进行写数据测试,从 0号寄存器开始到 31号寄存器,分别写入 01ff20ff。然后进行读数据测试,发现 0号寄存器值为 0,其余寄存器的值符合预期。当同时写和读,即写地址和读地址相同,且写使能时,发现读到的数据为旧数据,而写入的数据不会冲突。

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