自己动手写处理器之第二阶段（4）——电路设计举例

将陆续上传本人写的新书《自己动手写处理器》（尚未出版），今天是第八篇，我尽量每周四篇

2.7电路设计举例

本节将设计一个简化的处理器取指令电路，通过这个例子体会Verilog HDL的使用。

处理器内部一般有一个PC寄存器，其中存储指令地址，正常运行过程中，PC的值会随时间增加，同时从指令存储器中取出对应地址的指令。所以，本节实现的处理器取指令电路，包含两部分：PC模块、指令存储器。

1、PC模块的设计与实现

PC模块的功能就是给出取指令地址，同时每个时钟周期取指令地址递增。其接口设计如图2-13所示。采用左边是输入接口，右边是输出接口的方式绘制，这样便于理解。接口作用描述如表2-5所示。





此处定义指令地址pc的宽度为6，PC模块的主要代码如下，可以参考本书光盘Code\Chapter2目录下的pc_reg.v文件。

module pc_reg(

input	wire	     clk,
input  wire	     rst,

output reg[5:0]    pc,
output reg         ce

);

always @ (posedge clk) begin  //在时钟信号上升沿触发
if (rst == 1'b1) begin
ce <= 1'b0;      //复位信号有效的时候，指令存储器使能信号无效
end else begin
ce <= 1'b1;      //复位信号无效的时候，指令存储器使能信号有效
end
end

always @ (posedge clk) begin  //在时钟信号上升沿触发
if (ce == 1'b0) begin
pc <= 6'h00;     //指令存储器使能信号无效的时候，pc保持为0
end else begin
pc <= pc + 1'b1; //指令存储器使能信号有效的时候，pc在每个时钟加1
end
end

endmodule

2、指令存储器ROM的设计与实现

指令存储器ROM的作用是存储指令，并依据输入的地址，给出对应地址的指令。其接口如图2-14所示，还是采用左边是输入接口，右边是输出接口的方式绘制，这样便于理解。接口描述如表2-6所示。



此处定义指令的宽度为32，指令存储器ROM的主要代码如下，可以参考在本书光盘Code\Chapter2目录下的rom.v文件。

module rom(

input  wire          ce,
input  wire[5:0]	 addr,
output reg[31:0]	 inst

);

reg[31:0]  rom[63:0];      //使用二维向量定义存储器

always @ (*) begin
if (ce == 1'b0) begin
inst <= 32'h0;      //使能信号无效时，给出的数据是0
end else begin
inst <= rom[addr];  //使能信号有效时，给出地址addr对应的指令
end
end

endmodule

其中使用了一个二维向量定义存储器，深度是64，每个元素的宽度是32，这也是使用6位地址即可的原因。

3、顶层文件

先介绍元件例化的知识，在一个复杂电路的实现过程中，可以将其分割成多个功能单元分别实现，然后在一个顶层文件中通过调用各个功能单元，将其按照一定方式连接在一起，从而实现最终电路。其中调用功能单元的过程就称为元件例化。元件例化的格式如图2-15所示。



经过上面两步，我们分别实现了PC模块、指令存储器ROM，现在可以编写顶层文件将两者连接起来。连接方式如图2-16所示。



PC模块的输出pc连接到指令存储器ROM的地址接口addr，PC模块输出的使能信号ce连接到ROM的使能信号接口ce。顶层模块对应的模块名为inst_fetch，有三个接口，接口描述如表2-7所示。



inst_fetch模块的主要代码如下，其中例化了PC模块、指令存储器ROM。可以参考本书光盘Code\Chapter2目录下的inst_fetch.v文件。

module inst_fetch(

input	wire		clk,
input  wire		rst,
output wire[31:0]   inst_o

);

wire[5:0] pc;
wire      rom_ce;

//PC模块的例化
pc_reg pc_reg0(.clk(clk),	.rst(rst),
.pc(pc),	.ce(rom_ce));

//指令存储器ROM的例化
rom rom0( .ce(rom_ce),   .addr(pc),  .inst(inst_o));

endmodule

PC模块的输出pc、ROM模块的输入addr都连接到变量pc，所以两者连接在一起；PC模块的输出ce、ROM模块的输入ce都连接到rom_ce，所以两者连接在一起。这样就实现了图2-16所示的连接关系。

下一次将介绍如何仿真，未完待续！