P4-verilog实现mips单周期CPU

Posted 2020-11-22 yzmcoding

最近对学习的掌控可能出现了问题，左支右绌，p2挂了，p2、p3、p4、p5每周在计组花的连续时间少了很多，学习到的东西也少了很多，流水线都还没真正开始写，和别人比落后了一大截，随笔自然就荒废了，我得尽快调整状态，下决心只要学不死，就往死里学，尽快迎头赶上鸭！！

由于p4断断续续做的，现在临考前来总结一下p4，顺便恢复一下记忆，对Verilog命名规范、p4设计CPU技巧、实现细节等等进行初步总结，如有不对烦请指正。

一、Verilog设计单周期CPU流程

由于p3和理论部分我们已经掌握了单周期CPU的理论知识，也对CPU的实现有形象化的认识。我们要做的就是“翻译”一遍。

我主要是先设计CPU文档，再用Verilog描述CPU。

1.画出各个部件的端口及功能定义表，定义各个基础部件的端口，描述部件的功能。在这里我们不需要考虑部件功能的实现细节，只需要遵循高内聚低耦合的特点划分部件，将各个部件的功能描述清楚就可以了。

关于部件的划分，在这里我主要遵循高小鹏老师的《计算机组成与实现》，单独设计了NPC组合逻辑部件，将求beq，jal等跳转指令的地址都放到这里来，我认为在设计单周期CPU时会显得更加清晰，不容易出错。

关于各个部件的命名规范，我稍后再提。

大概表头设计如下：

2.设计各条指令的数据通路，同时修正扩展第一步中相应模块的端口和功能。

在这里其实理论上可以建一个以指令为列各个部件端口为行的表格，但我最初是在word里画的，所以把他拆分成了各个部件。

表头列出单个部件的信号端口（输入端）和驱动源（其他部件的输出端），各条指令，我称之为数据综合表：

由图所示，表头设计好了，需要的做的只是按照每一条指令数据通路进行填空而已，在这个过程中，如果需要对部件端口功能进行修改扩展则及时修改扩展。

填表的过程就相当于在logisim中连线，这样就不要照着图就能设计出Verilog描述的CPU了。

注意：端口名称需要严格按照之前表格里的名称来写，方便后面verilog的描述。

3.综合数据通路 初步构建Controller

如上表所示，综合数据通路的过程就是添加多路选择器以及描述控制器的过程。

四、构建Controller端口与功能表

直接上图，关注表头：

端口定义也可从图中获得。

4.利用上述端口与功能定义表使用Verilog描述各个部件和多路选择器（包括controller）

注意：实验中reset需要对所有时序部件（包括GRF DM PC进行同步复位，不包括IM）；

　　理解：将CPU看成大型的有限状态机，复位代表保存的状态全部清零。

5.描述数据通路

利用设计的数据通路综合表，就能知道端口之间的连接关系。

用Verilog描述时，由于需要模块实例化，不同部件端口不能直接相连，必须使用wire型作为媒介，命名规范之后提。

6.测试程序

二、描述Controller的方法

我是采用assign赋值、和或逻辑，

或逻辑就是或门；和逻辑可以利用三目运算符从而代替直接描述logisim中的门级描述，避免出错。

例如　　assign subu=(Op==6‘b000000&&Func==6‘b100011)?1:0;

至于if-else和case语句我觉得并没有更简单，宏定义我就想不到了，评论区可以指正完善我的思考题orz。

我的P4 Verilog的命名规范（尝试总结，试行版）大概率P5要修改

1.各部件端口定义与功能表

杜绝单纯的I O 等毫无意义千篇一律的设置。

在填写表格时，可以PC.DO 部件名+.+端口名 

DO DI WD RD Addr 只要在表格中写清楚就好·····注意大小写

2.在写数据通路时，wire和各个部件的输出端口同名，从而确保CPU连接的正确性

PC.DO -> PCDO去掉.

特殊情况下须标注

3.多路选择器按顺序命名Mux1 Mux2 Mux3 实例化时改为M1 M2 M3

好像没有要强调的啊。。。。啊先这样吧

加油鸭！