CPU_Register_MEM 架构图

研读linux内核的8086架构图
module pipeline_cpu(input clock, input reset); // IF 阶段 wire [31:0] pc_current, npc; pc pc_module(.pc(pc_current), .clock(clock), .reset(reset), .npc(npc)); wire [31:0] instruction; im im_module(.instruction(instruction), .pc(pc_current)); wire [31:0] if_pc_plus_4 = pc_current + 4; // IF/ID 寄存器 wire [31:0] id_pc_plus_4, id_instruction; IF_ID if_id_reg( .clock(clock), .reset(reset), .if_pc_plus_4(if_pc_plus_4), .if_instruction(instruction), .id_pc_plus_4(id_pc_plus_4), .id_instruction(id_instruction) ); // ID 阶段 wire [4:0] rs = id_instruction[25:21]; wire [4:0] rt = id_instruction[20:16]; wire [4:0] rd = id_instruction[15:11]; wire [5:0] opcode = id_instruction[31:26]; wire [5:0] funct = id_instruction[5:0]; // 控制信号生成(示例,需根据实际指令扩展) wire reg_write = (opcode == 6'b000000) & (funct == 6'b100000); // ADD wire mem_write = (opcode == 6'b101011); // SW wire [3:0] alu_op = ...; // 根据指令设置ALU操作码 // 寄存器读取 wire [31:0] a, b; gpr gpr_module( .a(a), .b(b), .rs(rs), .rt(rt), .num_write(wb_rd), .data_write(wb_data), .reg_write(wb_reg_write), .clock(clock) ); // HILO读取(ID阶段) wire [31:0] hilo_data; hilo hilo_module( .data_out(hilo_data), .s(s_sel), // 根据指令选择HI/LO .data_lo(wb_lo_data), .data_hi(wb_hi_data), .clock(clock), .reset(reset), .reg_write(wb_hilo_write) ); // ID/EXE 寄存器 wire [31:0] exe_a, exe_b; wire [4:0] exe_rd, exe_rt; wire [3:0] exe_alu_op; wire exe_reg_write, exe_mem_write; ID_EXE id_exe_reg( .clock(clock), .reset(reset), .id_pc_plus_4(id_pc_plus_4), .id_a(a), .id_b(b), .id_rd(rd), .id_rt(rt), .id_alu_op(alu_op), .id_reg_write(reg_write), .id_mem_write(mem_write), .exe_pc_plus_4(), // 未使用 .exe_a(exe_a), .exe_b(exe_b), .exe_rd(exe_rd), .exe_rt(exe_rt), .exe_alu_op(exe_alu_op), .exe_reg_write(exe_reg_write), .exe_mem_write(exe_mem_write) ); // EXE 阶段 wire [31:0] alu_result; alu alu_module( .c(alu_result), .a(exe_a), .b(exe_b), .op(exe_alu_op) ); // EXE/MEM 寄存器 wire [31:0] mem_alu_result, mem_b; wire [4:0] mem_rd; wire mem_reg_write, mem_mem_write; EXE_MEM exe_mem_reg( .clock(clock), .reset(reset), .exe_alu_result(alu_result), .exe_b(exe_b), .exe_rd(exe_rd), .exe_reg_write(exe_reg_write), .exe_mem_write(exe_mem_write), .mem_alu_result(mem_alu_result), .mem_b(mem_b), .mem_rd(mem_rd), .mem_reg_write(mem_reg_write), .mem_mem_write(mem_mem_write) ); // MEM 阶段 wire [31:0] mem_data_out; dm dm_module( .data_out(mem_data_out), .address(mem_alu_result), .data_in(mem_b), .mem_write(mem_mem_write), .clock(clock) ); // MEM/WB 寄存器 wire [31:0] wb_alu_result, wb_data_out; wire [4:0] wb_rd; wire wb_reg_write; MEM_WB mem_wb_reg( .clock(clock), .reset(reset), .mem_alu_result(mem_alu_result), .mem_data_out(mem_data_out), .mem_rd(mem_rd), .mem_reg_write(mem_reg_write), .wb_alu_result(wb_alu_result), .wb_data_out(wb_data_out), .wb_rd(wb_rd), .wb_reg_write(wb_reg_write) ); // WB 阶段 wire [31:0] wb_data = wb_reg_write ? (需要选择ALU结果或内存数据) ? wb_alu_result : wb_data_out; assign wb_hi_data = ...; // 根据指令设置HI值 assign wb_lo_data = ...; // 根据指令设置LO值 assign wb_hilo_write = ...; // 根据指令类型生成写信号 endmodule 完善这个代码
最新发布
05-23
### 基于 Verilog 的 RISC CPU 系统设计架构 在构建基于 Verilog 的 RISC CPU 设计时,系统通常由多个模块组成,这些模块协同工作以完成指令的取指、解码、执行和写回操作。以下是典型的 RISC CPU 架构框图描述: #### 1. 控制单元 (Control Unit) 控制单元负责管理整个CPU的操作流程,接收来自外部或内部的输入信号并产生相应的控制信号来协调其他组件的工作。 - 接收指令字节流作为输入 - 解析每条指令的操作码部分 - 输出各种控制线用于驱动后续阶段的功能部件 ```verilog module control_unit ( input wire clk, input wire reset, output reg [N-1:0] ctrl_signals ); // Control logic here... endmodule ``` [^1] #### 2. 指令存储器 (Instruction Memory) 这是一个只读存储区域,在此保存程序代码。当处理器需要获取下一条待执行命令时会访问这里的数据。 - 地址宽度取决于目标地址空间大小 - 数据总线连接到指令寄存器以便加载新指令 ```verilog module instr_mem( input wire [ADDR_WIDTH-1:0] addr, output reg [DATA_WIDTH-1:0] data_out ); // Read-only memory implementation... endmodule ``` #### 3. 寄存器文件 (Register File) 用来暂存运算过程中的中间结果或是最终计算成果的地方。它具有多端口特性允许同时进行多次读/写动作而互不干扰。 - 支持两个独立源操作数的同时读取 - 单独的目标位置可被更新而不影响其它内容 ```verilog module register_file( input wire wr_en, // Write enable signal input wire [REG_ADDR_BITS-1:0] rd_addr_a,rd_addr_b,wr_addr, input wire [WORD_SIZE-1:0] wr_data, output reg [WORD_SIZE-1:0] rd_data_a,rd_data_b ); // Register file implementation... endmodule ``` #### 4. 运算逻辑单元 (ALU - Arithmetic Logic Unit) 执行实际数值处理工作的核心部位之一,支持多种基本数学函数如加减乘除以及按位移位等操作。 - 输入来自于通用目的寄存器或其他专用寄存器 - 结果反馈给相应的目的地或者条件标志寄存器 ```verilog module alu( input wire op_code,// Operation code from decoder input wire [OPA_WIDTH-1:0] operand_a,operand_b, output reg [RES_WIDTH-1:0] result ); // ALU operations based on opcode... endmodule ``` #### 5. 数据存储器 (Data Memory) 类似于RAM的角色,提供了对于变量值临时性的保持能力,并且可以在必要时候持久化某些重要信息至非易失介质当中去。 - 可配置成不同容量规格适应具体应用场景需求 - 提供随机访问模式下的高效寻址机制 ```verilog module data_memory( input wire mem_write_enable, input wire [ADDR_WIDTH-1:0] address, input wire [DATA_WIDTH-1:0] write_data, output reg [DATA_WIDTH-1:0] read_data ); // Data memory implementation... endmodule ``` --- 上述各个组成部分共同构成了完整的RISC型中央处理器体系结构模型。通过合理规划各子系统的接口定义及其交互协议,可以有效保障整体性能表现达到预期水平。
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