使用Verilog搭建一个单周期CPU

使用Verilog搭建一个单周期CPU

搭建篇

总体结构

其实跟使用logisim搭建CPU基本一致，甚至更简单，因为完全可以照着logisim的电路图来写，各个模块和模块间的连接在logisim中非常清楚。唯一改变了的只有GRF和DM要多一个input PC端口，用来display的时候输出PC值；IFU同理多了一个output PC，用来把PC的值传给GRF和DM。其他的模块我都是直接对着logisim原封不动地用Verilog重新实现了一遍。目前支持指令集{addu、subu、ori、lw、sw、beq、jal、jr、nop、lui、sb、lb、sh、lh、jalr、addi}。

IFU

端口如下图所示，仅多了一个output PC，实现应该是非常简单的。

但是要注意一点，如果进行了初始化(如下)，那么一定不能用非阻塞赋值，否则你会发现你的IM根本读不进code.txt里的内容（非阻塞赋值会在initial后进行赋值0，读的code.txt又被清成0了，所以啥也读不到）

	initial begin
		pc = 32'h00003000;
		for(i=0;i<1024;i = i + 1) begin
            im[i] = 32'h00000000;//正确写法
            //im[i] <= 32'h00000000;//错误写法
		end
		$readmemh("code.txt",im);
	end

GRF

端口多了一个input PC，用来display的时候可以获取到PC值以输出。

这个需要注意的是0号寄存器，他不能被写入，特判一下就可以。也可以和我一样reg [31:0] rf[31:1];，根本没有0号寄存器自然也写不了他，然后输出寄存器值的时候assign RD1 = (A1 == 0) ? 32'b0 : rf[A1];，判断是否为输出0号寄存器的值。

EXT

用位拼接写，非常简单，符号扩展就将最高位复制就可以了。

	assign ext_imm16 = (EXTOp == 2'b00) ? {{16{1'b0}},imm16[15:0]} :
						(EXTOp == 2'b01) ? {{16{imm16[15]}},imm16[15:0]} :
						(EXTOp == 2'b10) ? {imm16[15:0],{16{1'b0}}} :
											{{16{1'b0}},imm16[15:0]};

但是注意不要在位拼接里出现没位数的数，Verilog会默认成32位，而不是你想象中的1位。错误示范如下：

	assign ext_imm16 = (EXTOp == 2'b00) ? {{16{0}},imm16[15:0]} :
						(EXTOp == 2'b01) ? {{16{imm16[15]}},imm16[15:0]} :
						(EXTOp == 2'b10) ? {imm16[15:0],{16{0}}} :
											{{16{0}},imm16[15:0]};

总之写Verilog的时候养成好习惯吧，数字都加上位数和进制，防止在奇怪的地方出错还找不到bug。

ALU

这个就更简单了。没啥写的就说说上次那个奇偶校验跳转的指令吧。

首先Verilog里是有异或运算的：^，这个就是异或，不要课上用|和~手写一个异或出来。然后我们知道缩减运算符^A就等于A[31]^A[30]^A[29]^...^A[1]^A[0]。那么A中有奇数个1就相当于^A == 1 ，A中有偶数个1就相当于^A == 0，然后就跟beq一样跳转就可以了（beq的Zero是A == B，这个指令的Zero是^A）

DM

这个也比较简单，我依然加了lb、sb、lh、sh指令，在Verilog里写只需要用位拼接来写就可以了，比logisim方便不少。

对写入数据进行处理：（SSel为2'b00即原数据，SSel为2'b01即sb时，SSel为2'b10即sh时）

	always @(*) begin
		if(SSel == 2'b00) begin
			WData = WD;
		end
		else if(SSel == 2'b01) begin
			WData = (A[1:0] == 2'b00) ? {dm[A[11:2]][31:8],WD[7:0]} :
						(A[1:0] == 2'b01) ? {dm[A[11:2]][31:16],WD[7:0],dm[A[11:2]][7:0]} :
						(A[1:0] == 2'b10) ? {dm[A[11:2]][31:24],WD[7:0],dm[A[11:2]][15:0]} :
														{WD[7:0],dm[A[11:2]][23:0]};
		end
		else if(SSel == 2'b10) begin
			WData = (A[1] == 1'b0) ? {dm[A[11:2]][31:16],WD[15:0]} : {WD[15:0],dm[A[11:2]][31:16]};
		end
	end

对读出数据进行处理：（LSel为2'b00即原数据，为2'b01即lb时，2'b10即lh时）

	always @(*) begin
		case(LSel)
			2'b00:begin
				RD = dm[A[11:2]];
			end
			2'b01:begin
				RD = (A[1:0] == 2'b00) ? {{24{dm[A[11:2]][7]}},dm[A[11:2]][7:0]} :
				     (A[1:0] == 2'b01) ? {{24{dm[A[11:2]][15]}},dm[A[11:2]][15:8]} :
					 (A[1:0] == 2'b10) ? {{24{dm[A[11:2]][23]}},dm[A[11:2]][23:16]} :
										 {{24{dm[A[11:2]][31]}},dm[A[11:2]][31:24]};
			end
			2'b10:begin
				RD = (A[1] == 1'b0) ? {{16{dm[A[11:2]][15]}},dm[A[11:2]][15:0]} : {{16{dm[A[11:2]][31]}},dm[A[11:2]][31:16]};
			end
			default:RD = 32'h00000000;
		endcase
	end

话说回来我的测评点生成机好像忘记了测lb、sb、lh、sh（逃

MUX

这个一定不要按高老板ppt里的那个写。我一开始按他的写然后de了半天才找到原来是MUX的错误。

高老板写法：

后来改成了三目运算符就AC了。。。现在也没看懂他的是什么原理（也可能是对的？

	assign Out = (S0 == 0 && S1 == 0) ? D0 :
	             (S0 == 1 && S1 == 0) ? D1 :
				 (S0 == 0 && S1 == 1) ? D2 :
				                        D3 ;

Controller

先写宏定义

`define ADDU  6'b100001
`define SUBU  6'b100011
`define ORI   6'b001101
`define LW    6'b100011
`define SW    6'b101011
`define BEQ   6'b000100
`define JAL   6'b000011
`define JR    6'b001000
`define LUI   6'b001111
`define LB    6'b100000
`define SB    6'b101000
`define LH    6'b100001
`define SH    6'b101001
`define RTYPE 6'b000000
`define ADDI  6'b001000
`define JALR  6'b001001
`define J     6'b000010

之后每一个指令都用一个wire表示,注意用宏定义加`，以及R型指令是Rtype与funct的与。

	wire addu,subu,ori,lw,sw,beq,jal,jr,lui,lb,sb,lh,sh,addi,jalr,j;
	assign RType = (opcode == `RTYPE);
	assign addu  =  RType&(funct == `ADDU);
	assign subu  =  RType&(funct == `SUBU);
	assign ori   = (opcode == `ORI );
	assign lw    = (opcode == `LW);
	assign sw    = (opcode == `SW);
	assign beq   = (opcode == `BEQ);
	assign jal   = (opcode == `JAL);
	assign jr    =  RType&(funct == `JR);
	assign lui   = (opcode == `LUI);
	assign lb    = (opcode == `LB);
	assign sb    = (opcode == `SB);
	assign sh    = (opcode == `SH);
	assign lh    = (opcode == `LH);
	assign addi  = (opcode == `ADDI);
	assign jalr  = RType&(funct == `JALR);
	assign j     = (opcode == `J);

之后对每个控制信号根据真值表加指令，两位的和一位的各举了一个例子。

	assign NPCOp[0] = beq | jr | jalr;
	assign NPCOp[1] = jal | jr | jalr | j;

	assign RFWr = addu | subu | ori | lw | jal | lui | lb | lh | addi | jalr ;

datapath

这个和Controller作为mips的子模块，datapath用来把所有除了controller的模块连接起来，然后在mips里与controller连接。

结构图如下

加指令篇

跟P3一样分析即可。eg：加addi（不考虑溢出）

分析数据通路

判断是否需要增加新的通路以实现该指令，如ALU是否要增加计算功能之类的。addi不需要因此直接改控制信号即可。

确定控制信号

对于NPCOp，这不是一个跳转指令，因此NPCOp取00

对于RFWr，要回写到R[rt]，因此RFWr为1

对于EXTOp，要进行符号扩展，所以取01

对于ALUOp，加法，所以取00

对于DMWr，不用写入DM，所以取0

对于WRSel，由于写入的是R[rt]，所以取01

对于WDSel，由于写入的数据来自ALU的计算结果，所以取00

对于BSel，由于参与ALU计算的第二个数来自EXT，所以取1

对于SSel和LSel，由于不涉及半字或字节，都取00

添加指令信号

先定义ADDI

`define ADDI  6'b001000

再添加wire addi

	assign addi  = (opcode == `ADDI);

修改控制信号

在addi控制信号为1的地方加上addi。

如RFWr为1，则在 assign RFWr = addu | subu | ori | lw | jal | lui | lb | lh ;最后或addi。

即变成 assign RFWr = addu | subu | ori | lw | jal | lui | lb | lh | addi;

其他控制信号依次添加即可，加完所有控制信号后，addi的添加完成。