单周期CPU仿真

最新推荐文章于 2022-03-22 11:03:42 发布
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本文介绍了单周期CPU的工作原理，包括取指令、指令译码、指令执行、存储器访问和写回五个步骤。详细阐述了单周期CPU的设计思路，使用组合逻辑电路和时序逻辑电路的结合来在一个时钟周期内完成所有操作。还提到了在Vivado软件中使用Verilog语言实现单周期CPU的具体过程，并强调了实验中应注意的细节，如存储器读写模式、always块的使用以及阻塞与非阻塞赋值的选择。

之前的几周我们做了单周期CPU仿真的实验，虽然一开始做得一脸懵逼，但最后还是成功实现了一个简单的CPU。

单周期CPU原理

单周期CPU指的是一条指令的执行在一个时钟周期内完成，无论是哪种指令。处理指令有以下五个步骤：

  1. 取指令：从PC取出下一条指令的地址并读取指令。
  2. 指令译码：根据指令产生各种控制信号。
  3. 指令执行：根据控制信号执行指令。
  4. 存储器访问：读写存储器。
  5. 写回：将运算结果或读存储器的数据写入寄存器。

单周期CPU设计

单周期CPU处理的是MIPS指令，共有三种类型，即R指令，I指令和J指令。不同的指令有不同的功能，执行的步骤也各不相同。一个时钟周期只有上升沿和下降沿，而单周期CPU必须在一个周期内完成最多五个步骤，因此需要组合逻辑电路和时序逻辑电路的结合。时序逻辑电路可以控制操作的先后顺序以及执行次数，我选择在上升沿取指令，在下降沿写寄存器和存储器。组合逻辑电路虽然无法确定多个操作的执行顺序，但执行多个操作几乎可以瞬间完成，我选择将译码、读寄存器、读存储器和运算操作用组合逻辑电路实现。

在一个时钟周期内，上升沿读取指令地址，瞬间读取对应指令，瞬间完成译码，瞬间产生控制信号，瞬间完成读寄存器，瞬间完成运算，瞬间完成读存储器，然后下降沿写寄存器和写存储器。

使用工具

vivado软件和verilog语言

单周期CPU实现

从理论上分析指令按步骤执行，但实际上由于组合逻辑电路的存在，各模块运行的顺序关系非常复杂，甚至会出现循环。从整体上看，整个单周期CPU的输入只有时钟信号和重置信号，测试程序的读入可以看作指令存储器的初始化，由此可以直接或间接确定电路中每一个信号。为了简化逻辑，我只关注信号的直接来源，对大部分信号用wire类型以契合组合逻辑的思路，对小部分信号用reg类型并赋予初值以避免组合逻辑形成循环。我先实现功能模块，再实现连接模块

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