单周期CPU(三)译码模块(minisys)(verilog)(vivado)
`timescale 1ns / 1ps
//module Idecode32 (input reset,input clock,output [31:0] read_data_1, // 输出的第一操作数output [31:0] read_data_2, // 输出的第二操作数input [31:0] Instruction, // 取指单元来的指令input [31:0] read_data, // 从DATA RAM or I/O port取出的数据input [31:0] ALU_result, // 从执行单元来的运算的结果,需要扩展立即数到32位input Jal, // 来自控制单元,说明是JAL指令 input RegWrite, // 来自控制单元input MemtoReg, // 来自控制单元input RegDst, // 来自控制单元output [31:0] Sign_extend, // 译码单元输出的扩展后的32位立即数input [31:0] opcplus4 // 来自取指单元,JAL中用
);reg[31:0] register[0:31]; // 寄存器组共32个32位寄存器reg[4:0] write_register_address; // 要写的寄存器的号reg[31:0] write_data; // 要写寄存器的数据放这里wire[4:0] read_register_1_address; // 要读的第一个寄存器的号(rs)wire[4:0] read_register_2_address; // 要读的第二个寄存器的号(rt)wire[4:0] write_register_address_1; // r-form指令要写的寄存器的号(rd)wire[4:0] write_register_address_0; // i-form指令要写的寄存器的号(rt)wire[15:0] Instruction_immediate_value; // 指令中的立即数wire[5:0] opcode; // 指令码assign opcode = Instruction[31:26]; // OPassign read_register_1_address = Instruction[25:21]; // rsassign read_register_2_address = Instruction[20:16]; // rtassign write_register_address_1 = Instruction[15:11]; // rd (r-form)assign write_register_address_0 = Instruction[20:16]; // rt (i-form)assign Instruction_immediate_value = Instruction[15:0]; // data, rladr (i-form)wire sign; // 取符号位的值assign sign = Instruction[15]; // 取指令的第15位作为符号位assign Sign_extend[31:16] = (sign) ? {16{1'b1}} : {16{1'b0}}; // 符号扩展,根据符号位填充高位assign Sign_extend[15:0] = Instruction[15:0]; // 将原始的16位立即数填充到低位assign read_data_1 = register[read_register_1_address]; // 从寄存器组中读取第一个源寄存器的数据assign read_data_2 = register[read_register_2_address]; // 从寄存器组中读取第二个源寄存器的数据always @* beginif (Jal) beginwrite_register_address = 5'b11111; // JAL指令的目标寄存器是31号寄存器end else beginif (RegDst) beginwrite_register_address = write_register_address_1; // r-form指令的目标寄存器地址end else beginwrite_register_address = write_register_address_0; // i-form指令的目标寄存器地址endendendalways @* beginif (MemtoReg) beginwrite_data = read_data; // 数据来自数据RAM的输出end else beginwrite_data = ALU_result; // 运算指令的数据来自ALU_resultendendinteger i;always @(posedge clock) beginif (reset == 1) beginfor (i = 0; i < 32; i = i + 1)register[i] <= 0; // 初始化寄存器组,将所有寄存器清零end else if (RegWrite == 1) beginif (write_register_address != 5'b00000) beginregister[write_register_address] <= write_data; // 写入数据到目标寄存器,除了0号寄存器endendendendmodule
仿真代码如下
`timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date:
// Design Name:
// Module Name: idcode32_sim
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//module idcode32_sim ();// input reg[31:0] Instruction = 32'b000000_00010_00011_00111_00000_100000; //add $7,$2,$3reg[31:0] read_data = 32'h00000000; // 从DATA RAM or I/O port取出的数据reg[31:0] ALU_result = 32'h00000005; // 需要扩展立即数到32位reg Jal = 1'b0; reg RegWrite = 1'b1;reg MemtoReg = 1'b0;reg RegDst = 1'b1;reg clock = 1'b0 ,reset = 1'b1;reg[31:0] opcplus4 = 32'h00000004; // 来自取指单元,JAL中用// outputwire[31:0] read_data_1;wire[31:0] read_data_2;wire[31:0] Sign_extend;Idecode32 Uid (.reset (reset), // 复位(高电平有效).clock (clock), // CPU时钟.read_data_1 (read_data_1), // 输出的第一操作数.read_data_2 (read_data_2), // 输出的第二操作数.Instruction (Instruction), // 取指单元来的指令.read_data (read_data), // 从DATA RAM or I/O port取出的数据.ALU_result (ALU_result), // 从执行单元来的运算的结果,需要扩展立即数到32位.Jal (Jal), // 来自控制单元,说明是JAL指令 .RegWrite (RegWrite), // 来自控制单元.MemtoReg (MemtoReg), // 来自控制单元.RegDst (RegDst), // 来自控制单元.Sign_extend (Sign_extend), // 扩展后的32位立即数.opcplus4 (opcplus4) // 来自取指单元,JAL中用);initial begin#200 reset = 1'b0;#200 begin Instruction = 32'b001000_00111_00011_1000000000110111; //addi $3,$7,0X8037read_data = 32'h00000000; ALU_result = 32'hFFFF803C;Jal = 1'b0;RegWrite = 1'b1;MemtoReg = 1'b0;RegDst = 1'b0;opcplus4 = 32'h00000008; end#200 begin Instruction = 32'b001100_00010_00100_1000000010010111; //andi $4,$2,0X8097read_data = 32'h00000000; ALU_result = 32'h00000002;Jal = 1'b0;RegWrite = 1'b1;MemtoReg = 1'b0;RegDst = 1'b0;opcplus4 = 32'h0000000c; end#200 begin Instruction = 32'b000000_00000_00001_00101_00010_000000; //sll $5,$1,2read_data = 32'h00000000; ALU_result = 32'h00000004;Jal = 1'b0;RegWrite = 1'b1;MemtoReg = 1'b0;RegDst = 1'b1;opcplus4 = 32'h00000010; end#200 begin Instruction = 32'b100011_00000_00110_0000000100000000; //LW $6,0(0X100)read_data = 32'h0000007B; ALU_result = 32'h00000054;Jal = 1'b0;RegWrite = 1'b1;MemtoReg = 1'b1;RegDst = 1'b0;opcplus4 = 32'h00000014; end#200 begin Instruction = 32'b000011_00000000000000000000000000; //JAL 0000read_data = 32'h00000000; ALU_result = 32'h00000004;Jal = 1'b1;RegWrite = 1'b1;MemtoReg = 1'b0;RegDst = 1'b0;opcplus4 = 32'h00000018; endend always #50 clock = ~clock;
endmodule
仿真波形图如下图
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