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中数据通路的设计。

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

目录

• Ⅰ前置知识 
  •  0x00 二选一控制器
  • 0x01 数据通路
• Ⅱ Verilog实现 
  • 0x00 二选一控制器
  • 0x01 构建数据通路
• Ⅲ 结果分析
  • 0x00 思路一结果分析
  • 0x01 思路二结果分析

数据选择器是一种多路输入单路输出的组合逻辑电路，MUX可以实现在两个输入信号中选择一个作为输出信号的功能。它通常用于选择数据通路中的输入信号或控制信号。在数字电路设计中，MUX是一个非常基本的元件，也是其他复杂电路的基础。

 “2 选 1”数据选择器电路的输入/输出信号设计说明如图：

0x01 数据通路

把前两篇博客中所设计的基本部件：ALU、寄存器堆和存储器进行连接，搭建数据通路。

该模块的电路参考结构图如下：

图中模块和信号说明如下：

    Registers模块：寄存器堆模块，信号及读写功能说明参见实验2。
    ALU模块：算术逻辑运算单元模块，信号及读写功能说明参见实验1。
    MUX模块：2选1模块。
    DataRAM模块：RAM存储器，信号及读写功能说明参见实验2。
    Ext模块：立即数扩展模块，信号及读写功能说明参见实验1。
    Instr信号：32位输入信号，其值位指令的32位机器码。
    clk信号：时钟信号，输入。
    srcReg信号：MUX数据输入选择信号。根据不同指令，选择指令提供的rk或rd值作为寄存器堆Rb的输入。
    ALUBsrc信号：MUX数据输入选择信号。根据不同指令，选择寄存器或立即数作为ALU的源操作数b。
    MemToReg信号：MUX数据输入选择信号。根据不同指令，选择将ALU的运算结果或是DataRAM取出的值作为要存入寄存器堆的值。

Ⅱ Verilog实现 
0x00 二选一控制器

设计代码：

module mux(a,b,s,y);
input[31:0]a,b; input s; output[31:0]y; assign y = (!s)?a:b;
endmodule

由于该模块比较简单，且本篇文章重点在于构建数据通路，故不再给出仿真代码和仿真波形，感兴趣的读者可自行验证。

0x01 构建数据通路

利用Verilog HDL设计顶层电路模型，把前面实验设计的ALU、寄存器堆和存储器进行连接，搭建支持下表所示6条LA32R指令功能的数据通路。

所用到的六条指令的龙芯架构32位精简版指令参考如下图：

本文提供两种思路：

1.在书写仿真文件时，将信号量给出。

2.在书写设计文件时，将信号量封装在设计文件中。

    思考：

    读者可以先思考这两种思路有什么各存在什么优缺点

  注：

    数据通路所用到的模块（ALU，寄存器等）在本专栏的前两篇文章中均以给出，故此处不再赘述，但是构建数据通路时要注意将这几个模块写入设计文件中。

    下列设计文件中只给出顶层设计代码。

    需要的模块：

    【单周期CPU】LoongArch | 32位寄存器DR | 32位的程序计数器PC | 通用寄存器堆Registers | 32位RAM存储器

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

首先根据指令，选择合适的控制信号： 

思路一：

设计代码：

module cpu (
input [31:0]Instr,
input clk, srcReg, ALUBSrc,MemWrEn, MemToReg,RegWr,
input [1:0]ExtOp, 
input [2:0]AluCtrl,
output [31:0]Result,
output zero) ;
 
wire [4:0]rb;
wire [31:0]aluA, aluB, regBusB, imm, addrDram, datainDram, dataoutDram, aluResult, MemToRegMux1;
 
MUX muxRb(.mux_out(rb),.mux_in1(Instr[14:10]),.mux_in2(Instr[4:0]),.sel(srcReg));
Registers registers(.busW(Result),.clk(clk),.RegWr(RegWr),
    .Ra(Instr[9:5]),.Rb(rb),.Rw(Instr[4:0]),
    .busA(aluA),.busB(regBusB));
li_ji_shu ext(.DataIn(Instr),.ExtOp(ExtOp),.DataOut(imm));
MUX muxAluB(.mux_out(aluB),.mux_in1(regBusB),.mux_in2(imm),.sel(ALUBSrc));
ALU alu(.a(aluA),.b(aluB),.op(AluCtrl),.AddResult(aluResult),.Zero(zero));
RAM dataRam(.clk(clk),.MemWrEn(MemWrEn),.addr(aluResult),.data_in(regBusB),.data_out(MemToRegMux1));
MUX muxResult(.mux_out(Result),.mux_in1(aluResult),.mux_in2(MemToRegMux1),.sel(MemToReg));
endmodule

仿真代码：

module sim_cpu();
    reg [31:0]Instr;
    reg clk, srcReg, ALUBSrc,MemWrEn, MemToReg,RegWr;
    reg [1:0]ExtOp;
    reg [2:0]AluCtrl;
    wire [31:0]Result;
    wire zero ;
    Cpuuu1(Instr,clk, srcReg, ALUBSrc,MemWrEn, MemToReg,RegWr,ExtOp,AluCtrl,Result,zero);
    initial clk = 0;
    always begin
        #20 clk = ~clk;
    end
    
    initial begin
Instr = 32'b000101_0_0000_0000_0000_0000_0001_00001; 
    srcReg=0; ExtOp=2'b10;ALUBSrc=1; AluCtrl=3'b111;MemWrEn=0;MemToReg=0; RegWr=1 ; #40; 
//    $stop;
Instr = 32'b000101_0_0000_0000_0000_0000_0010_00010;
 
    srcReg=0; ExtOp=2'b10;ALUBSrc=1; AluCtrl=3'b111;MemWrEn=0;MemToReg=0; RegWr=1 ; #40;
//    $stop;
 
    Instr = 32'b000101_0_1111_1111_1111_1111_1111_00011; 
    srcReg=0; ExtOp=2'b10;ALUBSrc=1; AluCtrl=3'b111;MemWrEn=0;MemToReg=0; RegWr=1 ; #40;
//    $stop;
    Instr = 32'b000101_0_1111_1111_1111_1111_1110_00100;
    srcReg=0; ExtOp=2'b10;ALUBSrc=1; AluCtrl=3'b111;MemWrEn=0;MemToReg=0; RegWr=1 ; #40;
    $stop;
 
    Instr = 32'b000000_0000_01_00000_00010_00001_00101;
    srcReg=0; ExtOp=2'b00;ALUBSrc=0; AluCtrl=3'b000;MemWrEn=0;MemToReg=0; RegWr=1 ; #40;
    $stop;
    end
endmodule

思路二： 

设计代码：

module cpu(Zero,busA,data_out,Instr,clk);
	input clk;
	input [31:0] Instr;
	output Zero;
	output [31:0] busA,data_out;
 
	
	wire [31:0] imm1,imm2,imm3,imm4,imm5,imm6,imm7,imm8;
	reg [1:0] ExtOp;
	reg SrcReg,RegWr,ALUBSrc,MemWrEn,MemToReg;
	reg [2:0] ALUCtrl;
 
always @ (*) begin
		if(Instr[29:27]==3'b000)
			case(Instr[17:15])
				3'b000:{SrcReg,RegWr,ALUBSrc,ALUCtrl,MemWrEn,MemToReg,ExtOp} = 10'b0100000000;
				3'b100:{SrcReg,RegWr,ALUBSrc,ALUCtrl,MemWrEn,MemToReg,ExtOp} = 10'b0101010000;
				3'b101:{SrcReg,RegWr,ALUBSrc,ALUCtrl,MemWrEn,MemToReg,ExtOp} = 10'b0101100000;
			endcase
		if(Instr[29:27]==3'b010)
			{SrcReg,RegWr,ALUBSrc,ALUCtrl,MemWrEn,MemToReg,ExtOp} = 10'b0111110010;
		if(Instr[29:27]==3'b101) begin
			if(Instr[24:22]==3'b110)
				{SrcReg,RegWr,ALUBSrc,ALUCtrl,MemWrEn,MemToReg,ExtOp} = 10'b1010001000;
			if(Instr[24:22]==3'b010)
				{SrcReg,RegWr,ALUBSrc,ALUCtrl,MemWrEn,MemToReg,ExtOp} = 10'b0110000100;
		end
	end
 
	assign busA = imm3;
	assign data_out = imm7;
 
	Ext M1(.Dataout(imm1),.DataIn(Instr),.Extop(ExtOp));
	MUX M2(.mux_out(imm2),.sel(SrcReg),.mux_in1(Instr[14:10]),.mux_in2(Instr[4:0]));
	Registers M3(.busA(imm3),.busB(imm4),.clk(clk),.RegWr(RegWr),.busW(imm8),.Rw(Instr[4:0]),.Ra(Instr[9:5]),.Rb(imm2));
	MUX M4(.mux_out(imm5),.sel(ALUBSrc),.mux_in1(imm4),.mux_in2(imm1));
	ALU M5(.Zero(Zero),.AddResult(imm6),.a(imm3),.b(imm5),.op(ALUCtrl));
	RAM M6(.data_out(imm7),.clk(clk),.MemWrEn(MemWrEn),.addr(imm6),.data_in(imm4));
	MUX M7(.mux_out(imm8),.sel(MemToReg),.mux_in1(imm6),.mux_in2(imm7));
endmodule

Ⅲ 结果分析
0x00 思路一结果分析

 仿真结果：

阅读仿真波形，可得到如下的仿真结果数据。

 数据通路电路仿真测试输入信号初值仿真测试结果

0x01 思路二结果分析

 结果展示：

根据寄存器中是否存入了指令里给出的值判断是否成功

阅读实验结果，可得到如下的数据。

数据通路电路仿真测试输入信号初值测试结果

 分析：

首先把值存入寄存器1，并检查寄存器1内的值是否为00001000；

再把值存入寄存器2，检查寄存器2内的值是否为00002000；

把寄存器1和2的结果相加，存入寄存器3，检查寄存器3内的值是否为00003000。

把值存入寄存器4，寄存器4内的值为80001000，对寄存器4和寄存器1的值分别进行无符号比较和有符号比较；

带符号比较结果存入寄存器5，值为00000001。

无符号数比较，结果存入寄存器6，值为00000000。

最后再实现将值存入内存和将值从内存取出。均成功实现。

    注：

    使用ld.w rd,rj,si12指令的时，若ram中定义的单元数太小，则无法在寄存器中存入数据

    根据本篇所书写的指令，可以改为：reg [31:0] mem [0:10000]

得到结果： 

    PS：读者可自行在网上查阅 LoongArch之LA32R版 的相关资料，以便于对LA32R版的指令有进一步的了解。

END 

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！