简易CPU设计入门：控制总线的剩余信号（四）

专栏导航上一篇简易CPU设计入门控制总线的剩余信号三专栏目录下一篇简易CPU设计入门指令单元一项目代码下载请大家首先准备好本项目所用的源代码。如果已经下载了那就不用重复下载了。如果还没有下载那么请大家点击下方链接来了解下载本项目的CPU源代码的方法。CSDN文章下载本项目代码上述链接为本项目所依据的版本。在讲解过程中我还时不时地发现自己在讲解与注释上的一些个错误。有时我还会添加一点新的资料。在这里我将动态更新的代码版本发在下面的链接中。Gitee项目简易CPU设计入门项目代码:讲课的时候我主要依据的是CSDN文章链接。然后呢如果你为了获得我的最近更新的版本那就请在Gitee项目链接里下载代码。准备好了项目源代码以后我们接着去讲解。本节前言经过前面的讲解控制总线的各路控制信号我已经是讲得差不多了。本节的代码位于【......\cpu_me01\code\Ctrl_Center\】路径里面。主要讲解的代码是【ctrl_center.v】。我们来看一下控制总线的信号列表。如果【ctrl_bus】的取值范围是【0 ctrl_bus 4】表示本次操作为寄存器写操作。如果【ctrl_bus】的取值范围是【4 ctrl_bus 8】表示本次操作为寄存器读操作。如果【ctrl_bus】的取值范围是【8 ctrl_bus 12】表示本次操作为内存写操作。如果【ctrl_bus】的取值范围是【12 ctrl_bus 16】表示本次操作为内存读操作。如果【ctrl_bus】的取值范围是【16 ctrl_bus 20】表示本次操作为立即数读操作。如果【ctrl_bus】的取值范围是【20 ctrl_bus 24】表示本次操作为算术逻辑运算。如果【ctrl_bus】的取值范围是【24 ctrl_bus 28】表示本次操作为更新指令指针寄存器【ip】。如果【ctrl_bus】的取值范围是【28 ctrl_bus 32】表示本次操作为停机操作。以上的块引用部分的内容是控制总线的全部控制信号。我们之前讲了一部分它们是【0 ctrl_bus 28】的范围的信号。这样一来我们所剩下的就只有指示停机的控制信号了。本节我们要去讲解的便是用来指示停机的控制信号。一. 系统总线与内部寄存器本节所要讲解的东西主要是跟停机信号有关。我们来看一看系统总线。图1图1中所示的代码位于控制中心模块的端口声明部分。它们分别是我们的仿真CPU项目中的控制总线地址总线数据总线它们都属于是系统总线。图2在图2中65行到67行分别是用来对控制总线、地址总线和数据总线进行缓存的变量。为啥要进行缓存呢因为三大系统总线中的信号的有效期仅有一个时钟周期稍纵即逝。而我们又需要在不同于总线数据有效期的时间里使用它们所以呢我们就声明了三个变量用来将三大总线的数据给缓存下来以便长久使用。在图2的 64 行我们声明了一个 reg 类型的数组如下面的代码块所示。reg [15:0] inner_reg[3:0];它的含义是声明四个 reg 类型的向量每一个向量都是16位的其中最高有效位是位15最低有效位是位0。四个向量用数组索引来引用。四个向量的引用方法为inner_reg[0]inner_reg[1] inner_reg[2]inner_reg[3]。这四个向量是我们的系统中的四个内部寄存器。注意它们是内部寄存器而非通用寄存器。图2的68行申请的变量它在代码中用来作为访问内部寄存器的索引变量。由于每当新指令任务到来之时要访问的内部寄存器的索引位于控制总线【ctrl_bus】中所以我将这个用来访问内部寄存器的索引变量命名为【ctrl_bus_index】。二. stop_flag 组节拍变量图3图3所示的几个变量便是 ALU_flag 组节拍变量。从名字上可以大致猜到【stop_flag】是主要的变量【stop_flag_d1】比【stop_flag】延后一个时钟周期【stop_flag_d2】比【stop_flag_d1】延后一个时钟周期。是否如此呢我们来看看下图所示的代码。图4从图4来看的确是说【stop_flag】是主要的变量【stop_flag_d1】比【stop_flag】延后一个时钟周期【stop_flag_d2】比【stop_flag_d1】延后一个时钟周期。三. new_task 变量与缓存系统总线的有效数据这个变量是我在控制中心模块里申请的一个 wire 型变量如下图所示。图5关于这个变量的含义本节我们依然是先不去深究。我们需要了解它的基本含义。如果它为1就代表了一个新的微指令的开始或者是代表了一个新的微操作的开始。当 new_task 为1的时候三大系统总线均含有有效数据。三大总线中的数据与 new_task 一样有效数据的存在时间只有一个时钟周期。对于 new_task 变量它的值我们不需要保存。而对于三大系统总线的有效数据我们是需要将其保存下来的因为它们正好处于有效期的时候我们可能暂时用不到但是 后面会有用所以我们需要将其缓存下来。图6在图6里面我们可以看到三大系统总线缓存变量与内部寄存器索引变量【ctrl_bus_index】的逻辑。在系统复位时三大系统总线缓存变量与内部寄存器索引变量【ctrl_bus_index】均被非阻塞赋值为高阻态值。在平时先来无事时也就是在【else】分支里面它们都保存着各自的现有值不变。每当 new_task 为1时也就是每当开启了一个新的微指令的时候三大系统总线缓存变量会缓存各自对应的系统总线的有效数据。同时呢内部寄存器索引变量【ctrl_bus_index】会将控制总线【ctrl_bus】的位1与位0给缓存下来。对于停机指令而言这个索引号是为了在将来作为一个扩展以指定停机方式。不过目前在代码逻辑方面我并未针对停机指令的停机方式作出任何规定而只是将这个索引号给缓存了下来。四. stop_flag 组节拍变量的逻辑首先呢我们来看 stop_flag 的逻辑。图7always (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) if (sys_rst_n 1b0) stop_flag 1b0; else if ((new_task 1b1) (ctrl_bus 16d28) (ctrl_bus 16d32)) stop_flag 1b1; else stop_flag 1b0;图7中所示是关于 stop_flag 的逻辑。它的逻辑是系统复位与处于【else】分支时它都是0值。每当系统检测到【(new_task 1b1) (ctrl_bus 16d28) (ctrl_bus 16d32)】条件满足时则 stop_flag 会被非阻塞赋值为 1。new_task 变量我们讲过了它为1表示开启了一个新的微指令操作标志着新任务的开始。而当 new_task 为1时控制总线【ctrl_bus】的值则是表示了本次微指令的功能。根据本节的前言部分的控制总线信号的列表信息如果【ctrl_bus】的取值范围是【28 ctrl_bus 32】且 new_task 为 1 时表示开启了一个新任务这个新任务的内容为算术逻辑操作。想要执行停机操作我们还需要指出停机的方式是什么。那么这个用来表示停机方式的数据在哪里呢这个数据目前是保存在地址总线变量的位1和位0保存在【ctrl_bus[1:0]】之中相当于内部寄存器的有效索引号。我们将【ctrl_bus[1:0]】赋给【ctrl_bus_index】正是为了方便地引用这个索引号引用这个停机方式。五. 指示停机图8根据图8我们可以了解到【exe_running】变量的逻辑。根据165行与166行的代码当系统复位时【exe_running】变量被赋予 0 值。而根据171和172行代码在【else】分支里面也就是闲来无事之时【exe_running】保持现有值不变。根据167和168行代码当【init_done】为1也就是完成了系统初始化工作的时候exe_running会变为1。此时【exe_running】从系统复位时候的 0 值第一次变为 1 值。然后呢根据169到170行的代码当【stop_flag】为 1 时【exe_running】会变为 0 值。【exe_running】变为 0 值表示CPU停止运行结束运行状态。那么当【exe_running】变为 0 时CPU 的运行会发生什么变化呢图9对于图9我们看到在406到407行里面当【exe_running】变为0时指令指针寄存器 ip 会被清零。我们再看。图10在图10之中我们看一看【get_inst_en】的逻辑。根据175和176行的代码在系统复位时取指令使能信号【get_inst_en】被清零。根据181行和182行代码在【else】分支里面也就是在闲来无事之时取指令使能信号【get_inst_en】也是被清零了。何时变为1呢第1种情况根据177和178行代码当检测到【init_done】为1时也就是系统初始化工作完成了的时候取指令使能信号【get_inst_en】会变为1。初始化完成是在系统复位以后。系统复位时取指令使能信号【get_inst_en】被赋予 0 值。而在完成了系统初始化工作以后取指令使能信号【get_inst_en】又被赋予1值且是第1次被赋予1值。接下来很快地系统会处于【else】分支也就是取指令使能信号【get_inst_en】很快地又会变为0值。取指令使能信号【get_inst_en】为1的时间仅仅是一个时钟周期而已。第2种情况根据179和180行代码当【job_ok_d1 1 exe_running 1】条件满足之时取指令使能信号【get_inst_en】才会被赋予1值。那么如果我们破坏了第2种情况的成立条件让【exe_running】为0结果会如何结果就是179行的条件得不到满足系统会一直处于181行的【else】分支的情况因此取指令使能信号【get_inst_en】会一直为0不会再变为1值。综上所述当我们执行了停机指令致使【exe_running】变为0值这会导致两个结果。第1指令指针寄存器 ip 被清零。第2取指令使能信号【get_inst_en】会一直为0也就是系统不会再去取指令了。不去取指令当然也就不会有译码与执行了此时CPU就真的是停止了。结束语到了这里我想我们又算是完成了一个不错的任务了。对控制总线的控制信号的讲解我认为是一件比较麻烦的事情。好在我这里可以通过复制加修改的方法来开展着写作。但是呢在你那里学习效果如何我就不知道了。希望你能够学习好这一块的知识。CPU的设计是一个有趣的事情。专栏导航上一篇简易CPU设计入门控制总线的剩余信号三专栏目录下一篇简易CPU设计入门指令单元一