标签：aluop wire funct 前端 译码 指令 output 设计 CPU
存储器与控制器（单周期CPU取指译码）
介绍
CPU的流程可分为取指、译码、执行、访存、回写（Instruction Fetch，Decode，Execution，Memory Request，Write Back）五阶段。实验一完成了执行阶段的ALU部分，并进行了简单的访存实验，本实验将实现取指、译码两个阶段的功能。
存储器和控制器的实验内容
依据取指、译码阶段的需求，分别需要实现以下模块：
1、PC：D触发器结构，用于储存PC（一个周期）。需实现2个输入，分别为clk，rst，分别连接时钟和复位信号；需实现2个输出，分别为pc，inst_ce，分别连接指令存储器的addra，ena端口。其中addra位数依据coe文件中指令数定义；
2、加法器：用于计算下一条指令地址，需实现2个输入，1个输出，输入值分别为当前指令地址PC、32’h4；
3、Controller：其中包含两部分：
a).main_decoder。负责判断指令类型，并生成相应的控制信号。需实现1个输入，为指令inst的高6位op，输出分为2部分，控制信号有多个，可作为多个输出，也作为一个多位输出，具体参照3进行设计；aluop，传输至alu_decoder，使alu_decoder配合inst低6位funct，进行ALU模块控制信号的译码。
b).alu_decoder。负责ALU模块控制信号的译码。需实现2个输入，1个输出，输入分别为funct，aluop；输出位alucontrol信号。
c).除上述两个组件，需设计controller文件调用两个decoder，对应实现op.funct输入信号，并传入调用模块；对应实现控制信号及alucontrol，并连接至调用模块相应端口。
4、指令存储器：使用Block Memory Generator IP构造。
注意：Basic中Generate address interface with 32 bits 选项不选中；PortA Options中Enable Port Type 选择为Use ENA Pin
5、时钟分频器：将板载100Mhz频率降低为1hz，连接PC、指令存储器时钟信号clk。
实验要求
取值阶段原理
PC为32bit（1word）的寄存器，其存放指令地址，每条指令执行完毕后，增加4，即为下一条指令存放地址。指令地址传入指令存储器，即可取出相应地址存放的指令。
（注意：MIPS架构中，采用字节读写，132bit word=4byte，故需要地址+4来获取下一条指令）
取指译码原理
32位MIPS指令在不同类型指令中分别有不同结构。但[31：16]表示的opcode，以及[5：0]表示的funct，为译码阶段明确指令控制信号的主要字段。表3为opcode及funct 识别得到的部分信号。
| opcode | aluop | operation | funct | alu function | alucontrol |
|---|---|---|---|---|---|
| lw | 00 | Load word | XXXXXX | Add | 010 |
| sw | 00 | Store word | XXXXXX | Add | 010 |
| beq | 01 | Branch equal | XXXXXX | Subtract | 110 |
| R-type | 10 | add | 100000 | Add | 010 |
| R-type | 10 | subtrate | 100010 | Subtract | 110 |
| R-type | 10 | and | 100100 | And | 000 |
| R-type | 10 | or | 100101 | Or | 001 |
| R-type | 10 | set-on-less-than | 101010 | SLT | 111 |
依据取指译码原理图，ALU control代码如下：
module alu_dec (
input wire [5:0] funct,
input wire [1:0] aluop,
output wire [2:0] alucontrol
);
assign alucontrol = (aluop == 2'b00)? 3'b010://lw sw
(aluop == 2'b01)? 3'b110://beq
(aluop == 2'b10)?
(funct == 6'b100000) ? 3'b010 :// add
(funct == 6'b100010) ? 3'b110 :// sub
(funct == 6'b100100) ? 3'b000 :// and
(funct == 6'b100101) ? 3'b001 :// or
(funct == 6'b101010) ? 3'b111 ://slt
3'b000 : 3'b000;
endmodule
依据取指译码原理图，main_Decoder代码如下：
module maindec(
input wire[5:0] op,
output wire memtoreg,memwrite,
output wire branch,alusrc,
output wire regdst,regwrite,
output wire jump,
output wire[1:0] aluop
);
reg[8:0] controls;
assign {regwrite,regdst,alusrc,branch,memwrite,memtoreg,jump,aluop} = controls;
always @(*) begin
case (op)
6'b000000:controls <= 9'b110000010;//R-TYRE
6'b100011:controls <= 9'b101001000;//LW
6'b101011:controls <= 9'b001010000;//SW
6'b000100:controls <= 9'b000100001;//BEQ
6'b001000:controls <= 9'b101000000;//ADDI
6'b000010:controls <= 9'b000000100;//J
default: controls <= 9'b000000000;//illegal op
endcase
end
endmodule
控制器实现原理
控制器输出的控制信号，用于控制器件的使能和多路选择器的选择，因此，根据不同指令的功能分析其所需要的路径，即可得到信号所对应的值。在此之前，参照下表对各个控制信号的含义进行理解。
| 信号 | 含义 |
|---|---|
| memtoreg | 回写的数据来自于ALU计算的结果/存储器读取的数据 |
| memwrite | 是否需要写数据存储器 |
| pcsrc | 下一个PC值是PC+4/跳转的新地址 |
| alusrc | 送入ALUB端口的值是立即数的32位扩展/寄存器堆读取的值 |
| regdst | 写入寄存器堆的地址是rt还是rd，0为rt，1为rd是否需要写寄存器堆 |
| regwrite | 是否为branch指令，且满足branch的条件 |
| branch | 是否为jump指令 |
| jump | ALU控制信号，代表不同的运算类型 |
分析数据通路图，判断指令是否需要写寄存器、访存等等操作，以产生相应的控制信号。下面给出参考信号表：
| instruction | op[5:0] | regwrite | regdst | alusrc | branch | memtoreg | aluop[1:0] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| R-type | 000000 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 10 |
| lw | 100011 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 00 |
| sw | 101011 | 0 | X | 1 | 0 | X | 00 |
| beq | 000100 | 0 | X | 0 | 1 | X | 01 |
| addi | 001000 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 00 |
| j | 000010 | 0 | X | X | X | X | XX |
依据取指译码原理图，Controller代码如下：
module controller(
input wire[5:0] op,funct,
input wire zero,
output wire memtoreg,memwrite,
output wire pcsrc,alusrc,
output wire regdst,regwrite,
output wire jump,
output wire[2:0] alucontrol
);
wire[1:0] aluop;
wire branch;
maindec md(op,memtoreg,memwrite,branch,alusrc,regdst,regwrite,jump,aluop);
aludec ad(funct,aluop,alucontrol);
assign pcsrc = branch & zero;
endmodule
这篇笔记参考网上众多资料实验并整理而成，如果涉及侵权烦请请告知，我将第一时间处理。
标签：aluop,wire,funct,前端,译码,指令,output,设计,CPU 来源： https://blog.csdn.net/qq_40051553/article/details/121180957
本站声明： 1. iCode9 技术分享网（下文简称本站）提供的所有内容，仅供技术学习、探讨和分享； 2. 关于本站的所有留言、评论、转载及引用，纯属内容发起人的个人观点，与本站观点和立场无关； 3. 关于本站的所有言论和文字，纯属内容发起人的个人观点，与本站观点和立场无关； 4. 本站文章均是网友提供，不完全保证技术分享内容的完整性、准确性、时效性、风险性和版权归属；如您发现该文章侵犯了您的权益，可联系我们第一时间进行删除； 5. 本站为非盈利性的个人网站，所有内容不会用来进行牟利，也不会利用任何形式的广告来间接获益，纯粹是为了广大技术爱好者提供技术内容和技术思想的分享性交流网站。