8位CPU在FPGA上实现（2）

Posted on 2023-01-29 20:54  _Chapman  阅读(181)  评论(0)  编辑  收藏  举报

所用指令

该CPU采用的指令参考MISP指令作出修改，采用ADDU（无符号相加）、SUBU（无符号相减）、SLL（左移）、ORI（扩展到32位）、LW（地址加偏移一个字读取，即读取一个字的数据）、SW（地址加偏移一个字写入，即写入一个字的数据）、BEQ（比较寄存器的数值，再进行跳转）、J（在256MB范围内跳转）来实现一个简单CPU功能电路。

指令详解

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上图是MISP的32位指令结构简图，这种指令分为R、I、J类型。R类型，从两个寄存器中得到需要运算的数值，具体操作由op和func决定。rs和rt是两个寄存器编号，sa只有在位移操作中使用。I指令是立即数指令，具体是低16位为一个立即数，op为操作指令，rs和rt是两个用于操作的寄存器。J指令一般指跳转，高6位为操作码，后续为操作地址。

ADDU

R指令的一种，关于R指令，31~26位均为0。
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将寄存器中数值相加：rs+rt，放到rd寄存器中。

SUBU

R指令的一种
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将寄存器中数值相减：rs-rt，放到rd寄存器中。

SLL

R指令的一种,左移指令。
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将rt中的数值进行左移shamt位，再赋值到rd里面。

ORI

一个I指令
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将立即数扩展到32位，或上rs寄存器的数值，然后赋值到rt。

LW

一个I指令
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将指定地址一个字的数据加载到指定寄存器中。
立即数为地址，然后加上偏移量rs，读出数据加载到rt里面。

SW

一个I指令
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将指定地址一个字的数据写入到指定寄存器中。
立即数为地址，然后加上偏移量rs，rt里面的数据写入该地址。

BEQ

一个I指令
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将立即数先左移两位，如果rs等于rt的数值，则PC跳转到PC+4+立即数左移两位的地址。

J

一个J指令
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直接跳转到256M以内的地址。

功能模块详解

指令译码器

再PC读取出来的指令被送入指令译码器。根据上述的指令，可以分为R指令和非R指令，因为R指令开头6位均为0。
假如输入信号为：
input [31:0] inst
input zero

输出为：
output IM_R,
output M6,
output M5,
output M4,
output M3,
output M2,
output M1,
output [2:0] ALUC,
output RF_W,
output DM_CS,
output DM_R,
output DM_w,
output signed16
output DM_R,

定义一个wire [5:0] func = inst[5:0];//用来读取低6位功能
定义一个wire [5:0] op = inst[31:26];//用来读取指令高6位是否全部为零
定义全部状态：
wire R_type；
wire addu；
wire subu；
wire sll；
wire ori；
wire lw；
wire sw；
wire beq；
wire j；

assign R_type = ~op[5]& ~op[4]& ~op[3]& ~op[2]& ~op[1]& ~op[0];
//如果是R指令，R_type为1
assign addu = R_type& func[5]& ~func[4]& ~func[3]& ~func[2]& ~func[1]& func[0];
//如果是addu指令，addu为1；
assign subu = R_type& func[5]& ~func[4]& ~func[3]& ~func[2]& func[1]& func[0];
//如果是subu指令，subu为1；
assign sll = R_type& ~func[5]& ~func[4]& ~func[3]& ~func[2]& ~func[1]& ~func[0];
//如果是sll指令，sll为1；
assign ori = ~R_type& ~op[5]& ~op[4]& op[3]& p[2]& ~op[1]& op[0];
//如果是ori指令，则ori为1；
assign lw = ~R_type& op[5]& ~op[4]& ~op[3]& ~op[2]& op[1]& op[0];
//如果是lw指令，则lw为1；
assign sw = ~R_type& op[5]& ~op[4]& op[3]& ~op[2]& op[1]& op[0];
//如果是sw指令，则sw为1；
assign beq = ~R_type& ~op[5]& ~op[4]& ~op[3]& op[2]& ~op[1]& ~op[0];
//如果是beq指令，则beq为1；
assign j = ~R_type& ~op[5]& ~op[4]& ~op[3]& ~op[2]& op[1]& ~op[0];
//如果是j指令，则j为1；

//定义寄存器写信号
//因为ADDU、SUBU、SLL、ORI、LW都要将数据写入rt寄存器，所以该位需要激活
assign RF_W = addu|subu|sll|ori|lw;
//从存储器读取指令一直使能就可以
assign IM_R = 1;
//如果操作存储器，则使能操作
//（注意，数据存储器和指令存储器是在同一从存储器）
assign DM_CS = lw|sw;
//如果操作读取存储器数据，则使能操作
//（注意，如果要间存储器数据写入寄存器，则需要激活此位）
assign DM_R = lw;
//如果操作写入存储器数据，则使能操作
//（注意，如果要间存储器数据写入寄存器，则需要激活此位）
assign DM_W = sw;

//ALU控制端，给了三个输入口
ALUC[0] = 0;//这一位我暂时不知道为什么一直拉低
ALUC[1] = ori|sll;//位移和逻辑操作
ALUC[2] = sll|subu|beq;//含有加减操作

//mux控制选择器
assign M1 = addu|subu|sll|ori|lw|sw|beq;//不含有跳转操作
assign M2 = addu|subu|sll|ori|j|sw|beq;//含有跳转操作
assign M3 = addu|subu|ori|beq|sw|lw;
assign M4 = ori|sw|lw;
assign M5 = zero & beq;
assign M6 = ori|lw;

//16位有无符号拓展
assign signed16 = sw|lw;

可能有点乱，下面整理一个译码器真值表：
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