多周期CPU设计——流水灯

本文详细介绍了如何设计一个多周期CPU控制流水灯的实现过程,包括10个关键模块的代码实现。流水灯的变换以1s的时间间隔进行,从0000000到11111111逐步递增,展示了完整的二进制计数变化过程。

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本设计分为10个模块加一个整体仿真激励模块,各模块代码如下:

流水灯的变换形式为: 0000000 -> 00000001 -> 00000011 -> 00000111 -> 00001111 -> 00011111 -> 00111111 -> 01111111 -> 11111111

时间间隔为1s。


`timescale 1ns / 1ps

//包括IR

module InsMem(
	input CLK,
	input InsMemRW, IRWre,
	input [31:0] pc_out,
	output reg [31:0] ins_out
    );

	reg [31:0] IDataOut;
	reg [7:0] InsMemory[0:255];
	
	initial begin
		$readmemb("instructions.txt", InsMemory);
	end
	
	always @ (pc_out or InsMemRW) begin
		if (InsMemRW) begin
			IDataOut[31:24] =  InsMemory[pc_out];
			IDataOut[23:16] =  InsMemory[pc_out+1];
			IDataOut[15:8]  =  InsMemory[pc_out+2];
			IDataOut[7:0]   =  InsMemory[pc_out+3];
		end
	end
	
	always @ (posedge CLK) begin
		if (IRWre)
			ins_out <= IDataOut;
	end
	
endmodule

module fp50m(clk,reset,newclk);
	input clk,reset;
	output newclk;
	reg newclk;
	reg [31:0] count,count1;
	always@(posedge clk or negedge reset)
	begin
		if(!reset)
		begin 
			newclk<=1'd0; 
			count<=32'd0;
		end 
		else if(count==32'd1250000)  //0.1s 2500000
		begin 
			count<=32'd0; 
			newclk<=~newclk;
		end//end begin 
		else count<=count+1'd1;
	end
endmodule

`timescale 1ns / 1ps

module Extend(
	input ExtSel,
	input [15:0] Imm_16,
	output reg [31:0] Imm
    );
	
	always @ (Imm_16 or ExtSel) begin
		if (ExtSel) begin
			Imm = {
  
  {16{Imm_16[15]}}, Imm_16[15:0]};
		end else begin
			Imm = {
  
  {16{0}}, Imm_16[15:0]};
		end
	end

endmodule

`timescale 1ns / 1ps

//包括2选1模块,一个缓冲

module DataMem(
	input RD, WR, CLK,
	input ALUM2Reg,
	input [31:0] alu_out,
	input [31:0] result,
	input [31:0] reg_out2,
	output wire [31:0] data_out
    );
	
	reg [31:0] DataOut;
	reg [7:0] DataMemory[0:63];

	assign data_out = (ALUM2Reg ? DataOut : result);
	always @ (alu_out or reg_out2 or RD or WR) begin
		if (WR) begin //写入
			DataMemory[alu_out]   = reg_out2[31:24];
			DataMemory[alu_out+1] = reg_out2[23:16];
			DataMemory[alu_out+2] = reg_out2[15:8];
			DataMemory[alu_out+3] = reg_out2[7:0];
		end else begin //读出
			DataOut[31:24] = DataMemory[alu_out];
			DataOut[23:16] = DataMemory[alu_out+1];
			DataOut[15:8]  = DataMemory[alu_out+2];
			DataOut[7:0]   = DataMemory[alu_out+3];
		end
		//if (ALUM2Reg) data_out = DataOut;
		//else data_out = result;
	end
	
endmodule

`timescale 1ns / 1ps

module ControlUnit(
	input CLK, RST,
	input zero,
	input [5:0] op,
	output reg WrRegData, RegWre, ALUSrcA, ALUSrcB, InsMemRW, IRWre, PCWre, RD, WR, ExtSel, ALUM2Reg, 
	output reg [1:0] RegDst, PCSrc,
	output reg [2:0] ALUOp, state
    );
	
	reg [2:0] next_state;
	
	parameter [2:0] IF = 3'b000,    
						 ID = 3'b001,
						 EXE_
“51中断流水灯”通常是指基于8051单片机的一种实验项目,其核心功能是在LED灯上通过程序控制实现灯光按一定顺序点亮、熄灭的效果,并结合外部中断机制对流水灯的行为进行干预。 ### 工作原理简述 **硬件部分** - **LED阵列**: 这是由若干个发光二极管组成的序列。 - **按键输入**: 按键可以触发外部中断源,改变当前状态。 **软件部分** - 当系统启动时,默认按照预设模式(如从左到右依次点亮),形成所谓的"流水效果"。 - 如果检测到来自按键的外部中断信号,则可能会切换流水方向或是暂停流动等操作。 这种设计不仅展示了如何利用定时器资源生成周期性的延时时间用于控制IO端口高低电平变化驱动LED亮灭;同时也体现了对外部事件响应能力的重要性——即当特定条件满足(比如按下按钮)时候能及时做出调整反应。 #### 程序关键点分析 - 初始化设置:包括设定串行通信波特率(如果需要)、配置工作寄存器组以及最重要的开启允许接收相应的外设产生的请求标志位。 - 主循环内不断查询是否有新的数据到达或者等待异常发生后进入服务函数处理逻辑分支结构判断应该采取哪种动作继续执行下去直到任务完成为止退出主函数返回操作系统调度其他进程运行的机会再次获得CPU使用权之前一直保持忙碌状态不停歇直至电源切断才停止运作。 --- 以下是简单的C语言伪代码示例: ```c #include <reg51.h> sbit key = P3^2; // 定义外部中断使用的引脚为P3.2 void delay(unsigned int time){ while(time--); } void main(){ IT0=1;EA=1;EX0=1;//初始化外部中断0为下降沿触发并打开总中断开关及该通道单独允许 TMOD |= 0x01; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; TR0=1; unsigned char i,j,k,l,m,n,o,p,q,r,s,t,u,v,w,x,y,z,a,b,c,d,e,f,g,h,i_state=0; for(i=0;i<8;i++) { // 初始所有灯关闭 P1|=1<<i ; } while (1){ // 循环显示跑马灯 if(!key&&i_state==0) { i_state=!i_state;delay(2);if(!key)i_state=0;} switch(i_state){ case 0:{ j=i++;j%=8;if(j>7)j=0;P1=~((~0)<<j|(~0)>>(7-j));break;} default : break; } } ``` 上述代码片段仅作为参考用途,实际应用中还需要考虑更多细节问题以保证系统的稳定性和可靠性。 ---
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