【单周期CPU】LoongArch | 立即数扩展模块Ext | 32位算术逻辑运算单元（ALU）

前言：本章内容主要是演示在vivado下利用Verilog语言进行单周期简易CPU的设计。一步一步自己实现模型机的设计。本章先介绍单周期简易CPU中基本组合逻辑部件的设计。

💻环境：一台内存4GB以上，装有64位Windows操作系统和Vivado 2017.4以上版本软件的PC机。

💎本章所采用的指令为LoongArch之LA32R版

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Ⅰ前置知识

0x00 立即数扩展模块Ext

立即数扩展模块（Ext）是一种在计算机体系结构中使用的技术，用于增加处理器的能力以支持更大范围的立即数操作。

立即数是指直接出现在指令中的常数值，例如在一个加法指令中，可以直接将两个寄存器的值相加，也可以将其中一个寄存器的值与一个立即数相加。立即数扩展模块的目的是为了扩展处理器对立即数的支持范围。

通常情况下，计算机体系结构规定了立即数的位数和取值范围。例如，一个处理器可能只支持8位的立即数，并且只能表示-128到127之间的值。这限制了在指令中可以使用的立即数的范围，可能导致无法执行某些需要更大范围立即数的操作。

立即数扩展模块通过增加额外的硬件逻辑来解决这个问题。它可以扩展处理器对立即数的位数，使得更大范围的立即数可以被支持。例如，它可以增加立即数的位数从8位扩展到16位，从而允许表示更大的值。

通过使用立即数扩展模块，处理器可以更灵活地处理更大范围的立即数操作，从而增加了指令集的功能和灵活性。这对于一些需要处理大范围立即数的应用程序非常有益。

本章介绍的立即数扩展模块的参考电路框图如下：

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 该模块的功能及引脚信号说明如下：

信号名称	功能说明
Datain	32位的数据输入信号
Extop	扩展方式选择信号
Dataout	32位的数据输出信号

该模块的参考电路结构如下图所示：

0x01 32位算术逻辑运算单元（ALU）

ALU，全称为算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit），是计算机中一个非常重要的组件。ALU负责执行各种算术和逻辑运算，这些运算包括加法、减法、乘法、除法以及与、或、非等逻辑操作。

ALU通常是CPU中的一个核心部分，它接收输入的数据并根据指令执行相应的运算。在执行算术运算时，ALU会将两个输入值进行相应的操作，然后将结果输出。例如，当执行加法操作时，ALU会将两个输入的数值相加，并将结果返回。

除了算术运算，ALU还能执行逻辑运算。逻辑运算是基于布尔代数的操作，常见的有与、或、非等操作。通过逻辑运算，可以对输入的数据进行比特级别的操作和判断。

ALU的设计可以根据不同的需求进行优化。一些ALU还可能支持浮点运算、位移操作、条件判断等功能。因此，ALU的具体实现方式可能会有所不同，但其核心目标始终是执行各种算术和逻辑运算。

32位算术逻辑运算单元模块的参考电路框图如下：

 该模块的功能及引脚信号说明如下：

信号名称	功能说明
a, b	两个32位的数据输入
op	运算类型选择输入
AddResult	运算结果输出
Zero	0标志位输出。运算结果AddResult为0时，Zero=1；否则Zero=0

Ⅱ. Verilog实现 

0x00 立即数扩展模块Ext

本章所设计的立即数扩展模块实现下表所示的4种方式的立即数扩展与拼接操作，以得到一个新的32位数。

Extop	功能	说明
0	Dataout←SignExtend(DataIn[21:10])	把DataIn[21:10]进行符号位扩展
1	Dataout←SignExtend(DataIn[25:10] || 2’b0)	把DataIn[25:10]低位补2bit0后，进行符号位扩展
2	Dataout←DataIn[24:5] || 12’b0	把DataIn[24:5]低位补12bit0
3	Dataout←SignExtend(DataIn[9:0] || DataIn[25:10] || 2’b0)	把DataIn[9:0]和 DataIn[25:10] 进行拼接，然后低位补2个0，再进行符号位扩展

设计代码：

module Ext (input [31:0] DataIn,input [1:0] Extop,output reg [31:0] Dataout
);always @(*) begincase (Extop)2'b00: Dataout = {{20{DataIn[21]}}, DataIn[21:10]};2'b01: Dataout = {{14{DataIn[25]}} , {DataIn[25:10], 2'b0}}  ;2'b10: Dataout = {DataIn[24:5], 12'b0};2'b11: Dataout = {{4{DataIn[25]}}, DataIn[9:0] , {DataIn[25:10] , 2'b0}};default: Dataout = 0;endcase
endendmodule

  在Vivado中点击”RTL ANALYSIS->Open Elaborated Design”，可以查看综合得到的逻辑电路，如图所示：

仿真代码：

module simExt(   );reg [31:0]Datain;reg[1:0]ExtOp;wire [31:0]Dataout;Ext uu(Datain,ExtOp,Dataout);//   initial begin
//    Datain=32'b0010_1111_0000_1010_0101_1111_1010_0001;#40;
//   endinitial beginExtOp=0;Datain=32'b000000_1010_000000000111_00000_00001;#100;//12位立即数addi.w $r1,$r0,7 //r2<--(+7)ExtOp=0;Datain=32'b000000_1010_111111111001_00000_00010;#100;//12位立即数addi.w $r2,$r0,-7 //r2<--(-7)ExtOp=1;Datain=32'b010110_1111111111111111_00001_00010;#100;//16位立即数beq $r1,$r2,-1//pc<--pc-4ExtOp=1;Datain=32'b011000_0000000000000001_00001_00010;#100;//16位立即数blt $r1,$r2,1//pc<--pc+4ExtOp=2;Datain=32'b0001010_00000000000000000001_00011;#100;//20位立即数lui12 $r3,1 //r3<--4094ExtOp=3;Datain=32'b010100_0000000000000010_0000000000;#100;//26位立即数b //pc<--pc+8ExtOp=3;Datain=32'b010100_1111111111111110_1111111111;#100;//26位立即数b //pc<--pc-8end
endmodule

测试结果：

🚩 注：

如果按照vivado默认的进制，得到的波形图不方便观察：

 所以我们可以在Radix中调整为有符号的十进制，方法如下图：

 0x01 32位算术逻辑运算单元（ALU）

本章设计的32位算术逻辑运算单元（ALU）具有以下功能：

要求ALU带“0状态”位Zero输出。即：当运算结果为0时，Zero=1；否则，Zero=0。

功能编号	功能	说明
0	AddResult =a+b	加法
1	AddResult =a-b	减法
2	AddResult =a⋀b	与
3	AddResult =a⋁b	或
4	AddResult =	或非
5	a<b时AddResult =1	A和B是带符号数，进行带符号数比较
6	a<b时AddResult =1	A和B是无符号数，进行无符号数比较
7	AddResult =b	直通

设计代码：

module alu (input [31:0] a, b,input [2:0] op,output reg zero,output reg [31:0] result
);always @(*) begincase (op)3'b000: result = a + b; // Add3'b001: result = a - b; // Subtract3'b010: result = a & b; // Bitwise AND3'b011: result = a | b; // Bitwise OR3'b100: result = ~(a | b); // Bitwise NOR//3'b101: result = (a < b) ? 32'h00000001 : 32'h00000000; // Signed comparison3'b101:beginif(a[31] > b[31])result = 1;else if(a[31] < b[31])result = 0;elseif(a[31] == 0)if(a[30:0] < b[30:0])result = 1;elseresult = 0;elseif(a[30:0] > b[30:0])result = 1;elseresult = 0;end3'b110:beginif(a < b)result = 1;elseresult = 0;endendcase
end
// Set zero flag
always @(result) beginzero = (result == 32'h00000000) ? 1'b1 : 1'b0;
endendmodule

  在Vivado中点击”RTL ANALYSIS->Open Elaborated Design”，可以查看综合得到的逻辑电路，如图所示： 

仿真代码：

module sim_aluLA32(   );reg [31:0] a,b;reg [2:0] op;wire [31:0] result;wire zero;//aluLA32 u1(a,b,op,result,zero);//aluLA32 u2(.a(a),.b(b),.op(op),.AddResult(AddResult),.Zero(Zero));alu dut (.a(a), .b(b), .op(op), .zero(zero), .result(result));always begina = 80;b = 95;op = 0; #100;op = 1; #100;a = -100;b =-95;op = 5; #100;op = 6; #100;a = 32'h12345678; b = 32'h0000ffff;op = 2; #100;op = 3; #100;op = 7; #100;endinitial beginend
endmodule

仿真结果：

 🚩注：

在编写有符号数和无符号数时，要注意不同：

 END

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📝 因为作者的能力有限，所以文章可能会存在一些错误和不准确之处，恳请大家指出！