简易CPU设计入门：内存读写（五）

专栏导航上一篇简易CPU设计入门内存读写四专栏目录下一篇无项目代码下载请大家首先准备好本项目所用的源代码。如果已经下载了那就不用重复下载了。如果还没有下载那么请大家点击下方链接来了解下载本项目的CPU源代码的方法。CSDN文章下载本项目代码上述链接为本项目所依据的版本。在讲解过程中我还时不时地发现自己在讲解与注释上的一些个错误。有时我还会添加一点新的资料。在这里我将动态更新的代码版本发在下面的链接中。Gitee项目简易CPU设计入门项目代码:讲课的时候我主要依据的是CSDN文章链接。然后呢如果你为了获得我的最近更新的版本那就请在Gitee项目链接里下载代码。准备好了项目源代码以后我们接着去讲解。本节前言在上一节我讲了控制中心里面关于内存写操作的一些个逻辑。在本节我来讲解关于内存读操作的逻辑。本节的许多的内容会需要以上一节的知识作为基础。本节的代码主要位于【...cpu_me01\code\Ctrl_Center\】路径里面所所涉及的代码文件主要是【rw_ram.v】和【ctrl_center.v】。其中【ctrl_center.v】是本节最为主要的代码文件。一. 系统总线与内部寄存器这一块的知识请大家参考上一节文章的第一分节的讲解。上一节文章的链接如下。简易CPU设计入门内存读写四-CSDN博客二. ram_read_flag 组节拍变量图1图1所示的几个变量便是 ram_read_flag 组节拍变量。从名字上可以大致猜到【ram_read_flag】是主要的变量【ram_read_flag_d1】比【ram_read_flag】延后一个时钟周期【ram_read_flag_d2】比【ram_read_flag_d1】延后一个时钟周期。我们还是来看一看代码来看看我们的猜想是否正确。图2从图2来看我们的猜想是对的。三. new_task 变量与缓存系统总线的有效数据对于这一块的知识上一节文章的第三分节同样是有讲述的。请大家参考上一节的文章来学习这一块的知识。上一节文章的链接如下。简易CPU设计入门内存读写四-CSDN博客四. ram_read_flag 组节拍变量的逻辑首先呢我们来看 ram_read_flag 的逻辑。图3always (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) if (sys_rst_n 1b0) ram_read_flag 1b0; else if ((new_task 1b1) (ctrl_bus 16d12) (ctrl_bus 16d16)) ram_read_flag 1b1; else ram_read_flag 1b0;图3中所示是关于 ram_read_flag 的逻辑。它的逻辑是系统复位与处于【else】分支时它都是0值。每当系统检测到【(new_task 1b1) (ctrl_bus 16d12) (ctrl_bus 16d16)】条件满足时则 ram_write_flag 会被非阻塞赋值为 1。new_task 变量我们讲过了它为1表示开启了一个新的微指令操作标志着新任务的开始。而当 new_task 为1时控制总线【ctrl_bus】的值则是表示了本次微指令的功能。如果【ctrl_bus】的取值范围是【0 ctrl_bus 4】表示本次操作为寄存器写操作。如果【ctrl_bus】的取值范围是【4 ctrl_bus 8】表示本次操作为寄存器读操作。如果【ctrl_bus】的取值范围是【8 ctrl_bus 12】表示本次操作为内存写操作。如果【ctrl_bus】的取值范围是【12 ctrl_bus 16】表示本次操作为内存读操作。如果【ctrl_bus】的取值范围是【16 ctrl_bus 20】表示本次操作为立即数读操作。如果【ctrl_bus】的取值范围是【20 ctrl_bus 24】表示本次操作为算术逻辑运算。如果【ctrl_bus】的取值范围是【24 ctrl_bus 28】表示本次操作为更新指令指针寄存器【ip】。如果【ctrl_bus】的取值范围是【28 ctrl_bus 32】表示本次操作为停机操作。根据控制总线的控制信号列表我们可以知道当【12 ctrl_bus 16】条件满足且 new_task 为 1 时表示开启了一个新任务这个新任务的内容就是执行内存写操作。执行内存读操作就是要将某一个数据从内存单元里面读取出来。那么在内存读操作之中这个要去操作的内存地址值便是由地址总线【addr_bus】指出。想要执行内存读操作我们还需要指出将读出的数据放在哪里。那么这个数据要放在哪里呢这个数据要保存在四个内部寄存器中的某一个里面。具体保存在哪里这个内部寄存器的有效索引号保存在【ctrl_bus[1:0]】之中。我们将【ctrl_bus[1:0]】赋给【ctrl_bus_index】正是为了方便地引用这个索引号。五. 内部总线这一块的知识上一节依然是有讲解的。大家可以通过学习上一节文章的第五分节的内容来学习关于内部总线的知识。上一节文章的连接如下。简易CPU设计入门内存读写四-CSDN博客六. 内部总线的逻辑关于内部总线的逻辑本节的关注点与上一节有所不同。上一节我们所讲的是在进行内存写操作的时候内部总线的逻辑。本节我们所讲的是在进行内存读操作的时候内部总线应该采取的逻辑。当控制中心模块的 new_task 为1且根据控制总线的取值范围判断出本次的操作任务是内存读操作时接下来我们就需要通过往三大内部总线写入合适的值来向内存读写单元发布指令指示内存读写单元【rw_ram.v】来进行内存写操作。我们通过关于内部总线的代码来了解控制中心是如何向【rw_ram】模块发出指令的。图4图5图6图7根据图4和图7在系统复位与【else】分支里面也就是说在系统复位与闲来无事时控制中心模块的三大内部总线代理变量均被非阻塞赋值为高阻态值。也就是说在系统复位与闲来无事时控制中心模块与三大内部总线是断开连接的。关于与总线断开连接这件事我们说过多次了。忘了的请大家复习下述链接所示的文章。简易CPU设计入门本系统中的通用寄存器四-CSDN博客在上面的连接的第七分解中我讲解了总线逻辑也讲解了什么叫做与总线断开连接。然后呢根据图5我们看到如果在某一个时钟的上升沿到来时系统检测到【ram_read_flag 1】条件成立则内部控制总线代理变量和内部地址总线代理变量被赋予0值而内部数据总线代理变量被赋予高阻态值。也就是相当于说控制中心模块里面的内部控制总变量和内部地址总线变量被赋予0值而内部数据总线变量依旧与同名的内部数据总线处于断开连接的状态。由于控制中心模块通过三大内部总线变量【ctrl_sig_iner】【addr_sig_iner】和【data_sig_iner】与同名的三大内部总线相连且此时仅有控制中心模块与三大内部总线保持了连接所以呢对控制中心模块三大内部总线变量的代理变量的赋值相当于说给内部控制总线和内部地址总线赋予0值而令内部数据总线与控制中心依旧处于断开连接的状态。我们再往下看。根据图6如果在某一个时钟的上升沿到来时系统检测到【ram_read_flag_d1 1】条件成立则则三大内部总线代理变量被分别赋予各自的有效值。我们先来看内部控制总线的情况【ctrl_bus_represent 16h0008;】。这一行的含义如果你是一路跟着我的专栏学习过来的那么它对你来讲应该是不难理解的。图8/********************************************* ctrl_sig_inner[0]:register write enable寄存器写使能 ctrl_sig_inner[1]:register read enable寄存器读使能 ctrl_sig_inner[2]:random memory write ebable内存写使能 ctrl_sig_inner[3]:random memory read enable内存读使能 ctrl_sig_inner[4]:Arithmetic and Logic calculate算术逻辑运算 ctrl_sig_inner[5]:reserve保留 ctrl_sig_inner[6]:reserve保留 ctrl_sig_inner[7]:reserve保留 ctrl_sig_inner[8]:reserve保留 ctrl_sig_inner[9]:reserve保留 ctrl_sig_inner[10]:reserve保留 ctrl_sig_inner[11]:reserve保留 ctrl_sig_inner[12]:reserve保留 ctrl_sig_inner[13]:reserve保留 ctrl_sig_inner[14]:reserve保留 ctrl_sig_inner[15]:reserve保留 还有一种运算叫做读取立即数将立即数放入内部寄存器。 此运算不需要通过内部信号的参与。 ************************************************/【ctrl_bus_represent】是【ctrl_sig_inner】的代理变量。【ctrl_bus_represent】被赋值为【16h0008】相当于是将【ctrl_sig_inner】总线赋值为【16h0008】。【16h0008】这个数它一共是有16位其中只有位3为1其余都是0值。根据图8当【ctrl_sig_inner】总线的位3为1而其余都是0值时这表示说控制中心模块发布了内存读使能信号。所以呢图6里面的462行代码它的意思就是通过向内部控制总线写入【16h0008】向内存读写单元发布内存读使能信号。在发布内存读使能信号的同时我们需要告诉内存读写单元本次要去操作的内存单元的地址值是什么。 图6的463行指示了这一点。addr_bus_represent addr_bus_buf;在当初new_task 为 1 时控制中心模块将三大系统总线的值都给缓存下来了。对于内存写操作来讲地址总线的有效值代表了本次要去操作的内存单元的地址值。我们在 new_task 为 1 时将地址总线的有效值缓存到了 addr_bus_buf 里面而在图6中的 463 行我们又将这个地址值通过【addr_bus_represent】传给【addr_sig_inner】总线进而传递给内存读写单元【rw_ram】。开展内存写操作我们并不需要指定待写入的数据。所以在图5和图6中我们都是将内部数据总线变量的代理变量【data_bus_represent】非阻塞赋值为高阻态值。也就是说通过向代理变量赋值为高阻态值进而将控制中心模块的内部数据总线变量【data_sig_inner】赋值为高阻态值从而将控制中心与内部总线【data_sig_inner】断开连接。注意在图5和图6中我们都是让控制中心与内部总线【data_sig_inner】断开连接的。因为在内存读操作中我们并不需要给内存读写模块传入待写数据。七. 实例化内存读写单元这一块还是请大家查看上一节文章的第七分节。上一节文章的链接如下。简易CPU设计入门内存读写四-CSDN博客八. 内存读操作的操作时序梳理我们来梳理一下内存读操作的操作时序。我们还是来设定一个0号时钟上升沿。一0号时钟上升沿在0号时钟上升沿系统检测到【new_task 1】并且【12 ctrl_bus 16】。图9于是在0号时钟上升沿之后的非阻塞赋值阶段根据图9三大系统总线缓存变量将三大总线的有效值给缓存了下来。注意当【new_task 1】条件满足之时三大总线上的确是含有着有效的数据。同时【ctrl_bus[1:0]】的值被赋给了【ctrl_bus_index】。对于内存读操作来讲从内存单元读出的数据需要被保存在某一个内部寄存器之中而【ctrl_bus[1:0]】则是在 new_task 为1时指定了这个内部寄存器的有效索引号。在0号时钟上升沿之后的非阻塞赋值阶段根据图3【ram_read_flag】被赋值为1。二1号时钟上升沿在1号时钟上升沿系统检测到【ram_read_flag 1】。在【ram_read_flag 1】条件满足之时我们要准备向内存读写单元【rw_ram】发布关于内存读操作的相关信号。在1号时钟上升沿的非阻塞赋值阶段根据图5我们通过对三大内部总线信号的代理变量的非阻塞赋值向内部控制总线和内部地址总线传递0值向控制中心模块的内部数据总线传递高阻态值使得控制中心模块与内部数据总线【data_sig_inner】断开连接。在1号时钟上升沿的非阻塞赋值阶段根据图2【ram_read_flag_d1】会被非阻塞赋值为1。三2号时钟上升沿在2号时钟上升沿系统检测到【ram_read_flag_d1 1】。在【ram_read_flag_d1 1】条件满足之时我们要正式向内存读写单元【rw_ram】发布关于内存读操作的相关信号。在2号时钟上升沿的非阻塞赋值阶段根据图6我们通过对三大内部总线的代理变量的非阻塞赋值分别向三大内部总线传递有效的信号以开展内存写操作方面的工作。通过【ctrl_bus_represent 16h0008;】我们向内部控制信号总线写入了一个只有位3为1而其余位均为0的值。写入这个值就表示说控制中心在向内存读写单元发布内存读使能信号。通过【addr_bus_represent addr_bus_buf;】我们向内部地址信号总线写入有效的内存单元地址它是我们本次要去操作的内存单元。早在0号上升沿的非阻塞赋值阶段我们将地址总线【addr_bus】里面的地址值存入了【addr_bus_buf】之中。由此【addr_bus_buf】中就保存了本次的内些读操作所要访问的内存单元的地址值。而在此时在2号时钟上升沿的非阻塞赋值阶段我们要将【addr_bus_buf】里面保存的代操作的内存单元地址值写入内部地址总线【addr_sig_inner】之中。通过【data_bus_represent 16hz;】我们继续将控制中心模块与内部数据总线【data_sig_inner】断开连接。四3号时钟上升沿在这一时钟跳变沿控制总线的内存读操作使能已经是可以被内存读写单元接收了。接下来的内存读操作由内存读写单元【rw_ram】来完成。对于【rw_ram】模块中的内存读操作我们可以参考下面的链接所示的文章。简易CPU设计入门内存读写三-CSDN博客这是我们已经讲过了的部分。如果你忘记了或者是还没有学习过那么你可以前往链接所示的文章去学习。在确保你已经理解了上述链接所述的文章内容以后我们接着来进行后续内容的讲解。九. 接收从内存单元读出的数据当内存读写单元【rw_ram】处理好了内存读操作以后该模块会将读出的数据传递给内部数据总线【data_sig_inner】并且会给成功完成信号总线【work_ok_inner】传递1值。当我们检测到了【work_ok_inner】成功完成信号总线的值为1的时候我们就需要将内部数据总线【data_sig_inner】给保存下来。保存的位置是四个内部寄存器中的一个其有效索引号是从【ctrl_bus】的位1和位0里面缓存下来的 ctrl_bus_index 。这样一来我们需要将内部数据总线上的有效数据值传递给 inner_reg[ctrl_bus_index] 。我们来看一看下图所示的代码。图10图11always (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) if (sys_rst_n 1b0) begin inner_reg[0] 16h0000; inner_reg[1] 16h0000; inner_reg[2] 16h0000; inner_reg[3] 16h0000; end else if (work_ok_inner 1b1 ctrl_bus_buf 16d4 ctrl_bus_buf 16d8) inner_reg[ctrl_bus_index] data_sig_inner; else if (work_ok_inner 1b1 ctrl_bus_buf 16d12 ctrl_bus_buf 16d16) inner_reg[ctrl_bus_index] data_sig_inner; else if (imd_read_flag 1b1) inner_reg[ctrl_bus_index] data_bus_buf; else if (work_ok_inner 1b1 ctrl_bus_buf 16d20 ctrl_bus_buf 16d24) inner_reg[ctrl_bus_index] data_sig_inner; else begin inner_reg[0] inner_reg[0]; inner_reg[1] inner_reg[1]; inner_reg[2] inner_reg[2]; inner_reg[3] inner_reg[3]; end图10图11与图11下面的代码块展示了内部寄存器的逻辑。关于内部寄存器的逻辑它们是说在系统复位时四个内部寄存器被赋予0值。在处于【else】分支的时候也就是闲来无事的时候它们是保持现有值不变。而在满足了图10所示的几个【else if】中的其中的一个条件的时候则四个内部寄存器中的一个会被赋值被赋值的内部寄存器的索引号由 ctrl_bus_index 来指定。我们来看下图所示的【else if】条件。图12在图12所示的条件里面我们可以分两段来看。第一段【work_ok_inner 1】这个条件是表示控制中心之外的某一个模块向成功完成信号总线【work_ok_inner】传递了1值表示该操作成功完成了。然而究竟是成功完成了哪项操作还需要通过第二段条件来指定。我们来看第二段条件。第二段【12 ctrl_bus_buf 16】。ctrl_bus_bus是在当初检测到 new_task 为1的时候从系统控制总线【ctrl_bus】里面缓存下来的信号值。如果【12 ctrl_bus_buf 16】条件满足则表示说本次的操作是内存读操作。两段条件同时满足就表示说内存读操作完成了。既然是完成了那么内部数据总线【data_sig_inner】里面就会含有有效的数据我们需要将这一数据保存到某一个内部寄存器里面。这个内部寄存器的索引号是 ctrl_bus_index 。在这里呢要注意内部数据总线上的有效数据它仅仅维持一个时钟周期我们必须要在检测到【work_ok_inner 1】条件满足的时候及时将这个值给保存起来。过期的话就找不到这个有效值了。图12中的一段代码正是用于将从内存单元读出来并且放入了内部数据总线中的有效数据给保存起来。这段代码如下所示。inner_reg[ctrl_bus_index] data_sig_inner;到了这里内存读操作的代码我们就全部讲完了。结束语内存读写操作我认为它算是一个大的任务。我这里讲起来有点费劲。我估计你在学习的时候也会觉得很费劲。有些地方我在表述的时候我是觉得有点困难。有好的建议的欢迎提出来。下一节我们要来讲解指令单元。其实到了指令单元我们的专栏已经算是快要结束了。当然了我们还是会花费很多的章节来讲解剩余的内容。祝大家学习愉快。专栏导航上一篇简易CPU设计入门内存读写四专栏目录下一篇无