基于VerilogHDL简单CPU设计

基于VerilogHDL的简单CPU设计

摘要：本文实现了一个基于veriloghdl的简单cpu，系统由运算器、控制器、译码器、存储器、指令计数器五大模块构成。在对各个模块时序仿真实验的基础上，系统整体功能测试成功。系统具有良好的稳定性和灵活性，指令集易扩展。

关键词：veriloghdl；cpu；时序仿真

中图分类号：tp334

1 引言

veriloghdl【1】是一种硬件描述语言（hdl：hardwarediscriptionlanguage），是一种以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。由于verilog接近c语言的语言规则，适合进行fpga的开发和教学工作，得到了广泛的应用。

本文基于对cpu的研究，设计并实现了一个基于verilog的简单cpu，并成功进行了仿真实验。

2 cpu的功能和结构

2.1 cpu的功能

本cpu模型由五大部分组成，分别是运算器、控制器、译码器、存储器、指令计数器。实现了一个简单指令集，包括停机指令，加，减，与，加载，存储等指令。同时能进行数据的存储和管理【2】。

2.2 cpu的结构

图2.2.1 cpu的架构图

cpu的整体结构如上面两个图所示，各个模块协调工作，共同完成cpu的每一次任务。指令格式为“op+0+opd1+opd2”其中op为3位操作码，0为固定位（或者说是没用的一位），opd1，opd2为6位操作数的地址（之前已经写入内存）。寻址方式固定为立即数寻址。

3 cpu主要模块的实现

3.1 运算器模块alu

算术逻辑运算单元alu。根据输入的6种不同操作码分别实现相应的加、减、与、加载，存储，停机等6种基本操作运算。利用这几种基本运算可以实现很多种其它运算以及逻辑判断等操作：（1）hlt停机操作。该操作将空一个指令周期，即6个时钟周期；（2）add相加。该操作将取存储器中的两个数据相加；（3）and相与。该操作将存储器中的两个数据相与；（4）sub相减。该操作将存储器中的两个数据相减；（5）lda读数据。该操作将指令中给出地址的数据放入累加器；（6）sta写数据。该操作将数据写入内存。3.2 控制器模块control

控制器模块【4】对整个cpu的工作进行控制，决定本次任务要执行什么样的操作。

s0，s1，s2，s3，s4，s5分别控制指令运行中的各个步骤，其中s0有效时取指令，s1有效时译码，s2有效时从内存中读数据，s3有效时启动alu进行运算，s4有效时写数据入内存，s5有效时pc

加1。即这几个输出控制一条指令的整个执行过程。addsel是用于决定数据的地址来自哪里，为1时从存储器中取数，为0时地址来与pc.add_en，sub_en，and_en，pass_en为使能信号控制所进行的操作。由输入的opcode决定。

3.3 译码器encoder和存储器memory

译码器能够将代码特定的含义翻译出来，将操作数和操作码分离开来，以完成不同的工作。存储器主要实现：从存储器中读出数据，和将数据写入内存的功能。

wr为写控制端，有效时，把数据写入指定的存储器单元。rd为读控制端，当有效时，从指定存储单元读数据。addr为写入或者读出数据的地址。drout和grout为把数据读出写入到dr，gr的端口。

4 系统仿真测试

4.1 系统仿真方案

系统测试代码如下：

lda001010001011

把10和11地址数据加载到gr和dr中

add001010001011

把10和11地址里面的数字相加送到gr

sta001100

把gr里面的值存入12地址

sub001010001011

把10和11地址里面的数字相减送到gr

sta001101

把gr的值存入13地址

and001010001011

把10和11地址里面的数字相与送到gr

sta001110

把gr的值存入14地址

halt停止一个周期

lda001100001101

把12和13地址数据加载到gr和dr中

lda001110

把14地址里面的内容加载到gr

4.2 测试结果

经过时序仿真，我们观察内存中121314这三个地址中数据的变化即可得出指令是否正确执行。

测试结果是正确的，系统仿真成功。

5 结束语

veriloghdl作为fpga开发的优势越来越被人们接纳，本文实现了一个简单地cpu模型，并进行了成功的仿真实验。系统具有良好的稳定性和灵活性，指令集易扩展。

参考文献：

[1]潘松，黄继业.eda技术实用教程[m].北京：科学出版社.

[2]王爱英.计算机组成与结构[m].北京：清华大学出版.

[3]肖海燕，杨建波.基于硬件描述语言的简单cpu[j].现代电子技术，2011（22）：178-181.

[4]周宁宁，刘胜.基于fpga技术的cpu模型机的设计与实现[j].南京邮电学院学报，2003（1）：77-80.

作者简介：刘明达（1991.09.11-），男，山东，本科在读，fpga 开发、密码学；刘晓洁（1992.2-），广东揭东，本科在读，密码学。作者单位：武汉大学计算机学院，武汉 430072