单周期CPU实验：
完成本次实验最重要的策略是参考CPU的流程图：
通过流程图，我们可以发现一共要实现五个部分，并且流程图给出了关键电线的定义。
电线的定义：
与寄存器接口有关的：
在原本提供的三个接口中，添加四根交互的电线。
与译码阶段有关的：
按照mips手册提供的指令，将instruction拆分，方便后续获得所需要的部分。
Control Unit:
对于单周期CPU，Load指令和MemtoReg始终相当，所以其电平高低始终和MemRead指令一样，因此可以舍去着一根电线。
电线含义：
- RegDst信号用来区分RF_waddr是rt还是rd。
- Branch信号用来指示是否存在一个跳转信号。
- Condition信号代表在所有跳转类指令中总有成立条件，Branch指令高电平代表条件成立。
- MemRead信号在Load指令高电平。
- MemWrite信号在Store指令高电平。
- ALU_conrol信号用来操控ALU。
- ALUsrc信号代表那些计算过程中需要利用扩展数的指令。
与加法器、移位器有关的：
与取址阶段有关的：
与Load和Store阶段有关的：
- Vaddr代表在Load过程中运算得到的Address值的末两位，其用来决定最后读入寄存器堆的值是哪一块。
- l_mask代表掩码，其用来选数。
用来判断opcode的一些电线：
一些用于符号拓展的电线：
前两条电线设计的分别是无符号和有符号数拓展，第三条是针对lui指令的特别设计，最后一条是为了ITYPE的branch指令设计的扩展。
取址阶段：
在单周期CPU，每一次上升沿都应当将PC寄存器变化为下一拍的值，其中有四个可能的情况：
- Rst高电平，对PC复位
- 一般情况下，PC下一拍就是PC+4
- 对于当前拍是一个Branch指令，而且这个Branch指令符合了其所被需求的条件，则下一拍跳转至PC_4+shift_sign_extend。
- 对于当前拍是一个跳转指令，分两种可能：
对于R_Type的，直接跳转到寄存器堆读出的指定位置;
对于J_Type的，跳转到
{PC_4[31:28],Instruction[25:0],2'b00};
译码阶段：
Control Unit
- RegDst信号在R_Type指令中高电平，写位置为rd否则为rt，当jal类指令时，写在第31号寄存器处。
- RF_wen信号代表write enable信号，在所有计算类信号、移位信号、满足条件的移 动信号、Store信号和需要向31号位写的情况下全部都是高电平。
执行阶段：
增加了更多功能的ALU:
本ALU修改时比较简单，添加了sltu/xor/nor，其中 sltu和Carryout的电平高低是一样的，因为定义是相同的，xor和nor则直接算好了选数就行了。
自行设计的shifter：
由于直接使用了移位指令，因此shifter直接算出结果再进行选数即可，唯一要注意的是算术右移最好做到先把A转为有符号数，免得出现一些因为被误认为是无符号数而显得吊诡的波形。
ALU的端口信号设计：
ALUcontrol较为好设计：以下是电路示意图
对于ITYPE和RTYPE的计算信号，除开lui需要单独设计之外，全部调用对应的ALUcontrol模块即可。
对于Load和Store信号，需要利用加法计算得到Address，因此ALUcontrol为ADD。
对于movz/movn/beq/bne指令，前者是【rt】和0比较是否相等，后者是【rs】/【rt】比较是否相等，因此利用减法，利用Zero这根电线判断即可。
对于bltz/bgez/blez/bgtz我选择使用slt操作判断【rs】和零的关系。这里有一个思考：
对于bltz和bgez，需要把A设置为【rs】B设置为0，对于blez和bgtz，需要把A设置为0B设置【rs】，这样利用slt的定义，就可以直接判断结果是否满足了。
Extend选数设计：
基本上除了ITYPE的andi/ori/xori，其余全是有符号扩展，MUX选数即可。
ALU的A/B赋值：
对于A，大部分操作它应当被复制为【rs】但是在movz/movn操作中，其应当为0，对于blez/bgtz前文已解释其为0。
对于B，大部分操作它应当被复制为【rt】，但对与Load/Store操作其应该被赋值为扩展后的立即数，对于ITYPE也是如此。对于blez和bgtz前文已经提及，应当被赋值为【rs】。
Shift端口信号设计：
Shifter端口非常方便设计，对于因为func的末两位和shiftop是一致的，对于shiftB按照不同指令选数即可。
Store指令：
按照mips指令要求，Address的返回值末两位为0，末两位的信息利用掩码反馈。
我选择的设计是算出所有的MemWrite指令的掩码和返回值，然后选数。
Write_strb掩码设计：
最好设计的掩码是sw指令的掩码，因为它一定是1111。
对于sb指令的掩码，根据3-4’b1000,2-4’b0100……直接设计。
对于sh指令的掩码，如果高位为1，为4’b1100，否则为低位，为4’b0011。
对于swl和swr指令，必须注意到这是一个小根端CPU，按照mips指令参考手册的指示，即可写出对应的掩码。
随后进行按照指令选数即可。
Write_data返回值设计：
根据掩码的定义，掩码为1所在的位，代表这一字节需要被存入内存，因此按照掩码指示设计拼接然后补零即可。
对于sw数据，由于直接是RF_data2，可以不用单独设计选出这个数。
Load指令设计：
虽然未作要求，但是同样设计一条掩码会比较方便，因为在原本的电路中2bit才能确定是哪一位，但先求出掩码，就只需要1bit找到是哪一位了。
在求得mask后，可以直接利用mask选数，从而得到每一种指令需要的值，最后在寄存器取值时选数即可。
RF_Wdata设计：
除开lui指令和shift指令需要单独设计之外，所有计算指令的结果就存在ALU_result。
对于其他指令：
- 对于jal/jalr指令，需要将下一拍PC值存在【31】即PC+8.
- 对于shift指令，结果存在shift_result。
- 对于lui指令，直接选取预先算好的lui即可。
- 对于load指令，需要扩展的按照指令要求，相应的符号或者无符号扩展即可。
多周期CPU实验：
多周期CPU状态转移图：
多周期CPU自动机代码：
always @(*)begin
case(current_state)
`state_IF : begin
next_state = `state_ID;
end
`state_ID : begin
if(op_EX == 1'b1)
next_state = `state_EX;
else
next_state = `state_IF;
end
`state_EX : begin
if(op_REGIMM|op_I_Type_branch|op_j)
next_state = `state_IF;
else
if(op_R_Type|op_jal|op_I_Type_cal)
next_state = `state_WB;
else if(Load|Store)
next_state = `state_MEM;
else
next_state = `state_EX;
end
`state_MEM: begin
if(Load)
next_state = `state_WB;
else
if(Store)
next_state = `state_IF;
else
next_state = `state_MEM;
end
`state_WB : begin
next_state = `state_IF;
end
default:
next_state = `state_IF;
endcase
end
多周期CPU的核心是添加一个自动机模块，按照CPU设计的五个阶段，定义相应的状态，在这里我使用one-hot编码：
`define state_NOP 9'b000000001
`define state_IF 9'b000000010
`define state_ID 9'b000000100
`define state_EX 9'b000001000
`define state_MEM 9'b000010000
`define state_WB 9'b000100000
对于状态转移过程，总的来讲，按照转移图设计代码，即可，但是值得注意的的是，为避免形成锁存器，这个组合逻辑所有的if结构必须要保有else，因此如果本状态所有状态选择完毕后，要将不合逻辑的输入状态保留在原本的状态位置，也就是自己的下个状态仍然是自己。
除此之外PC的时序逻辑也需要修改：
always@(posedge clk)begin
if(rst)begin
PC<=32'b0;
end
else begin
if(current_state == `state_IF )
PC<=PC+4;
else
if(current_state == `state_EX && (op_jump|(Branch&condition)))
if(op_jump)
PC<=PC_jump;
else
PC<=PC_branch;
end
end
对于PC来讲，在取址阶段其一定会正常加4，对于branch指令在执行阶段跳转。由于mips指令集存在一种被称为延迟槽的技术，因此对于branch指令的PC+4得到的那条多余的指令其实是一个nop指令，因此不会执行。
寄存器：
always@(posedge clk)begin
if(current_state == `state_IF)begin
PC_temp<=PC;
end
end
always@(posedge clk)begin
if(current_state == `state_IF)begin
Instruction_temp<= Instruction;
end
end
always@(posedge clk)begin
if(MemRead == 1'b1)begin
Read_data_temp<=Read_data;
end
end
多周期CPU设计了三种寄存器，分别是PC/Instruction/Read_data，对于前两者，由于在译码阶段PC会改变，所以需要存储上一拍PC和Instruction的值，对于后一个，则只有在MemRead拉高时才有值，因此需要用寄存器存储。
`timescale 10ns / 1ns
`define DATA_WIDTH 32
`define ADDR_WIDTH 5
`define ADD 3'b010
`define SUB 3'b110
`define AND 3'b000
`define OR 3'b001
`define XOR 3'b100
`define NOR 3'b101
`define SLT 3'b111
`define SLTU 3'b011
`define beq 6'b000100
`define bne 6'b000101
`define blez 6'b000110
`define bgtz 6'b000111
`define sb 6'b101000
`define sh 6'b101001
`define sw 6'b101011
`define swl 6'b101010
`define swr 6'b101110
`define lui 6'b001111
`define lb 6'b100000
`define lbu 6'b100100
`define lh 6'b100001
`define lhu 6'b100101
`define lw 6'b100011
`define lwl 6'b100010
`define lwr 6'b100110
module simple_cpu(
input clk,
input rst,
output reg [31:0] PC,
input [31:0] Instruction,
output [31:0] Address,
output MemWrite,
output [31:0] Write_data,
output [ 3:0] Write_strb,
input [31:0] Read_data,
output MemRead
);
// THESE THREE SIGNALS ARE USED IN OUR TESTBENCH
// PLEASE DO NOT MODIFY SIGNAL NAMES
// AND PLEASE USE THEM TO CONNECT PORTS
// OF YOUR INSTANTIATION OF THE REGISTER FILE MODULE
wire RF_wen;
wire [4:0] RF_waddr;
wire [31:0] RF_wdata;
wire [4:0] RF_raddr1;
wire [4:0] RF_raddr2;
wire [31:0] RF_rdata1;
wire [31:0] RF_rdata2;
wire [5:0] opcode;// = Instruction[31:26];
wire [4:0] rs ;// = Instruction[25:21];
wire [4:0] rt ;// = Instruction[20:16];
wire [4:0] rd ;// = Instruction[15:11];
wire [4:0] sa ;// = Instruction[10:6];
wire [5:0] func ;// = Instruction[5:0];
wire [15:0] imm ;// = Instruction[15:0];
wire [25:0] instr_index;
assign opcode = Instruction[31:26];
assign rs = Instruction[25:21];
assign rt = Instruction[20:16];
assign rd = Instruction[15:11];
assign sa = Instruction[10:6];
assign func = Instruction[5:0];
assign imm = Instruction[15:0];
assign instr_indx = Instruction[25:0];
//wire for control unit
wire RegDst;//determine write register is rt/rd
wire Branch;/*branch has two types, the first one is whether it is a branch order
and the second one is wheter it meets the conditon*/
wire condition;//condition in branch
assign MemRead = opcode[5] & (~opcode[3]);
/*
lwr:
对于大端：从所指位置（地址）向低地址方向取数直至地址对齐，且按从低地址至高地址的顺序将数据排序，将排序好的数据存放在寄存器的低位。
对于小端：从所指位置（地址）向高低址方向取数直至地址对齐，且按从高地址至低地址的顺序将数据排序，将排序好的数据存放在寄存器的低位。
lwl：
对于大端：从所指位置（地址）向高地址方向取数直至地址对齐，且按从低地址至高地址的顺序将数据排序，将排序好的数据存放在寄存器的高位。
对于小端：从所指位置（地址）向低地址方向取数直至地址对齐，且按从高地址至低地址的顺序将数据排序，将排序好的数据存放在寄存器的高位。
*/
assign MemWrite = opcode[5] & opcode[3];
wire MemtoReg;//write back flag
wire [2:0] ALU_control;//the order of ALU;
wire ALUsrc;
/*
a wire that tells you whether the extension required
*/
wire [31:0] extend;//in case MR/MW/I_Type_cal extend number is required
wire [31:0] ALU_A;
wire [31:0] ALU_B;
wire [31:0] ALU_result;
wire Zero;/*
case 1 bltz,bgez,movz,movn,blez,bgtz needs zero wire to get the condtion
which means judge the value of rs
*/
//wire for shift
wire [31:0] shift_A;
wire [4:0] shift_B;
wire [1:0] shift_control;
wire [31:0] shift_result;
//wire for PC
wire [31:0] PC_4;//normally PC + 4
wire [31:0] PC_branch;//PC_4 + offset (imm) bltz/bgez/beq/bne/blez/bgtz
wire [31:0] PC_jump;
/*
case 1 R_type jump to (rs)
case 2 J_Type jump to (PC+4)[31:28]+Instr_index+00
*/
assign PC_4 = PC+4;//can be replaced by a alu
wire [31:0] sign_extend = {{16{Instruction[15]}},Instruction[15:0]};
wire [31:0] zero_extend = {16'b0,Instruction[15:0]};
wire [31:0] lui_extend = {Instruction[15:0],16'b0};
wire [31:0] shift_sign_extend ={{14{Instruction[15]}},Instruction[15:0],2'b00};//for I-Type branch PC_4+ signed_extend(imm+00)
wire [1:0] vaddr;
wire [7:0] load_byte;
wire [15:0] load_half;
wire [31:0] load_lwl;
wire [31:0] load_lwr;
wire [3:0] write_sb;//byte
wire [3:0] write_sh;//half
wire [3:0] write_sw;//word just 4'b1111
wire [3:0] write_swl;
wire [3:0] write_swr;
wire [3:0] l_mask;
wire [31:0] result_sb;
wire [31:0] result_sh;
wire [31:0] result_sw;
wire [31:0] result_swl;
wire [31:0] result_swr;
wire op_sb = opcode ==`sb;
wire op_sh = opcode ==`sh;
wire op_sw = opcode ==`sw;
wire op_swl = opcode ==`swl;
wire op_swr = opcode ==`swr;
wire op_beq = opcode ==`beq;
wire op_bne = opcode ==`bne;
wire op_blez= opcode ==`blez;
wire op_bgtz= opcode ==`bgtz;
wire op_R_Type = opcode == 6'b000000;
wire op_R_Type_cal = op_R_Type&func[5];
wire op_REGIMM = opcode == 6'b000001;
wire op_J_Type = opcode[5:1] == 5'b00001;
wire op_I_Type_branch = opcode[5:2] == 4'b0001;
wire op_I_Type_cal = opcode[5:3] == 3'b001;
wire op_jal = opcode == 6'b000011;
wire op_jalr = op_R_Type & (func == 6'b001001);
wire op_cal = op_R_Type&(func[5] == 1'b1)|op_I_Type_cal;
wire op_shift = op_R_Type&(func[5:3] == 3'b000);
wire op_jump = op_R_Type&({func[5:3],func[1]}==4'b0010)|op_J_Type;
wire op_mov = op_R_Type&({func[5:3],func[1]}==4'b0011);
wire op_PC_jump = (op_R_Type&({func[5:3],func[1]}==4'b0010));//for PC_jump to (rs)
assign RegDst = op_R_Type ? 1 : 0;
assign Branch = op_I_Type_branch|op_REGIMM;
assign ALUsrc = op_I_Type_cal|MemRead|MemWrite;
assign RF_wen = op_cal|op_shift|(op_mov&(Zero^func[0]))|MemRead|op_jal|op_jalr;
assign RF_raddr1 = rs;
assign RF_raddr2 = rt;
assign RF_waddr = op_jal?31:(RegDst?rd:rt);
assign RF_wdata = {32{op_jal|op_jalr}}& (PC+8)|
{32{op_shift}}& shift_result|
{32{op_mov&(Zero^func[0])}}& RF_rdata1|
{32{opcode==`lui}}& lui_extend|
{32{opcode==`lb }}& {{24{load_byte[7]}},load_byte}|
{32{opcode==`lbu}}& {{24{1'b0}},load_byte}|
{32{opcode==`lh }}& {{16{load_half[15]}},load_half}|
{32{opcode==`lhu}}& {{16{1'b0}},load_half}|
{32{opcode==`lw }}& Read_data|
{32{opcode==`lwl}}& load_lwl|
{32{opcode==`lwr}}& load_lwr|
{32{op_cal&~(opcode==`lui)}}& ALU_result
;
assign vaddr = ALU_result[1:0];
assign l_mask = {vaddr[1]&vaddr[0],vaddr[1]&~vaddr[0],~vaddr[1]&vaddr[0],~vaddr[1]&~vaddr[0]};
assign load_byte = { 8{l_mask[3]}}&Read_data[31:24]|
{ 8{l_mask[2]}}&Read_data[23:16]|
{ 8{l_mask[1]}}&Read_data[15: 8]|
{ 8{l_mask[0]}}&Read_data[ 7: 0];
assign load_half = {16{l_mask[0]}}&Read_data[15: 0]|
{16{l_mask[2]}}&Read_data[31:16];
assign load_lwl = {32{l_mask[3]}}&Read_data[31: 0]|
{32{l_mask[2]}}&{Read_data[23:0],RF_rdata2[ 7:0]}|
{32{l_mask[1]}}&{Read_data[15:0],RF_rdata2[15:0]}|
{32{l_mask[0]}}&{Read_data[ 7:0],RF_rdata2[23:0]};
assign load_lwr = {32{l_mask[3]}}&{RF_rdata2[31: 8],Read_data[31:24]}|
{32{l_mask[2]}}&{RF_rdata2[31:16],Read_data[31:16]}|
{32{l_mask[1]}}&{RF_rdata2[31:24],Read_data[31: 8]}|
{32{l_mask[0]}}&Read_data[31:0];
assign ALU_control = {3{op_R_Type_cal&(func[3:2]==2'b00)}}&{func[1],2'b10}|
{3{op_R_Type_cal&(func[3:2]==2'b01)}}&{func[1],1'b0,func[0]}|
{3{op_R_Type_cal&(func[3:2]==2'b10)}}&{~func[0],2'b11}|
{3{op_I_Type_cal&(opcode[2:1]==2'b00)}}&{opcode[1],2'b10}|
{3{op_I_Type_cal& opcode[2]}}&{opcode[1],1'b0,opcode[0]}|
{3{op_I_Type_cal&(opcode[2:1]==2'b01)}}&{~opcode[0],2'b11}|
{3{MemRead|MemWrite}}&`ADD|
{3{op_mov|op_beq|op_bne}}&`SUB| //sub rs-rt in beq/bne sub rs-0 in movz/movn
{3{op_REGIMM|op_blez|op_bgtz}}&`SLT//in mov A=(rs) B=0, in blez A=0,B=(rs)
;
assign extend = (op_I_Type_cal&opcode[2])?zero_extend:sign_extend;//(op_I_Type_cal&~opcode[2]|MemRead|MemWrite)
assign condition = ((op_beq)&&Zero)|((op_bne)&&~Zero)|
((op_blez)&&Zero)|((op_bgtz)&&~Zero)|
(op_REGIMM&~rt[0]&~Zero)|(op_REGIMM&rt[0]&Zero);
assign ALU_A = RF_rdata1&{32{~(op_mov|(op_blez)|(op_bgtz))}};
assign ALU_B = {32{ALUsrc}}&extend|{32{((op_blez)|(op_bgtz))}}&RF_rdata1|{32{~(ALUsrc|((op_blez)|(op_bgtz))|op_REGIMM)}}&RF_rdata2;
//model for shift R_Type
assign shift_control= func[1:0];
assign shift_A = RF_rdata2;
assign shift_B = (func[2])?RF_rdata1[4:0]:sa;
assign PC_branch = PC_4+shift_sign_extend;
always@(posedge clk)begin
if(rst)begin
PC<=32'b0;
end
else begin
PC<=op_jump?PC_jump:((Branch&condition)?PC_branch:PC_4);
end
end
reg_file ren_data(
.clk(clk),
.waddr(RF_waddr),
.raddr1(RF_raddr1),
.raddr2(RF_raddr2),
.wen(RF_wen),
.wdata(RF_wdata),
.rdata1(RF_rdata1),
.rdata2(RF_rdata2)
);
//model for shift operation
shifter EX_shift(
.A(shift_A),
.B(shift_B),
.Shiftop(shift_control),
.Result(shift_result)
);
//model for calculation operation and for calculating the
alu EX_alu(
.A(ALU_A),
.B(ALU_B),
.ALUop(ALU_control),
.Overflow(),
.CarryOut(),
.Zero(Zero),
.Result(ALU_result)
);
assign Address = {ALU_result[31:2],2'b00};
/*Aligned.The effective address must be naturally-aligned.
If either of the 2 least-significant bits of the address is non-zero, an Address Error exception occurs.*/
assign write_sw = 4'b1111;
assign write_sb = {{ALU_result[1:0]==2'b11},{ALU_result[1:0]==2'b10},{ALU_result[1:0]==2'b01},{ALU_result[1:0]==2'b00}};//3-4'b1000/2-4'b0100
//4'b1000>>(~ALU_result[1:0]);
assign write_sh = {4{ALU_result[1]}}&4'b1100|{4{~ALU_result[1]}}&4'b0011;
assign write_swl = {ALU_result[1]&ALU_result[0],ALU_result[1],ALU_result[1]|ALU_result[0],1'b1};//0,4'b0001 1,4'b0011 2,4'b0111 3,4'b1111
assign write_swr = {1'b1,~ALU_result[1]|~ALU_result[0],~ALU_result[1],~ALU_result[1]&~ALU_result[0]};
assign Write_strb = {4{op_sb}}&write_sb|{4{op_sh}}&write_sh|{4{op_sw}}&write_sw|{4{op_swl}}&write_swl|{4{op_swr}}&write_swr;
assign result_sb = {{8{write_sb [3]}}&RF_rdata2[ 7: 0],{8{write_sb [2]}}&RF_rdata2[ 7: 0],{8{write_sb [1]}}&RF_rdata2[ 7:0],{8{write_sb [0]}}&RF_rdata2[7:0]};
assign result_sh = {{16{write_sh[3]}}&RF_rdata2[15: 0],{16{write_sh[1]}}&RF_rdata2[15: 0]};
assign result_swl = {32{(write_swl==4'b0001)}} & {{24{1'b0}},RF_rdata2[31:24]} |
{32{(write_swl==4'b0011)}} & {{16{1'b0}},RF_rdata2[31:16]} |
{32{(write_swl==4'b0111)}} & {{ 8{1'b0}},RF_rdata2[31:8]};
assign result_swr = {32{(write_swr==4'b1110)}} & {RF_rdata2[23:0],{ 8{1'b0}}} |
{32{(write_swr==4'b1100)}} & {RF_rdata2[15:0],{16{1'b0}}} |
{32{(write_swr==4'b1000)}} & {RF_rdata2[ 7:0],{24{1'b0}}};
assign Write_data = {32{op_sb}}&result_sb|{32{op_sh}}&result_sh|{32{op_swl}}&result_swl|{32{op_swr}}&result_swr|{32{~(MemWrite)|op_sw}}&RF_rdata2;
assign PC_jump= {32{op_PC_jump}}&RF_rdata1|{32{~op_PC_jump}}&{PC_4[31:28],Instruction[25:0],2'b00};
endmodule
`timescale 10ns / 1ns
`define state_NOP 9'b000000001
`define state_IF 9'b000000010
`define state_ID 9'b000000100
`define state_EX 9'b000001000
`define state_MEM 9'b000010000
`define state_WB 9'b000100000
`define DATA_WIDTH 32
`define ADDR_WIDTH 5
`define ADD 3'b010
`define SUB 3'b110
`define AND 3'b000
`define OR 3'b001
`define XOR 3'b100
`define NOR 3'b101
`define SLT 3'b111
`define SLTU 3'b011
`define beq 6'b000100
`define bne 6'b000101
`define blez 6'b000110
`define bgtz 6'b000111
`define sb 6'b101000
`define sh 6'b101001
`define sw 6'b101011
`define swl 6'b101010
`define swr 6'b101110
`define lui 6'b001111
`define lb 6'b100000
`define lbu 6'b100100
`define lh 6'b100001
`define lhu 6'b100101
`define lw 6'b100011
`define lwl 6'b100010
`define lwr 6'b100110
module simple_cpu(
input clk,
input rst,
output reg [31:0] PC,
input [31:0] Instruction,
output [31:0] Address,
output MemWrite,
output [31:0] Write_data,
output [ 3:0] Write_strb,
input [31:0] Read_data,
output MemRead
);
// THESE THREE SIGNALS ARE USED IN OUR TESTBENCH
// PLEASE DO NOT MODIFY SIGNAL NAMES
// AND PLEASE USE THEM TO CONNECT PORTS
// OF YOUR INSTANTIATION OF THE REGISTER FILE MODULE
wire RF_wen;
wire [ 4:0] RF_waddr;
wire [31:0] RF_wdata;
wire [ 4:0] RF_raddr1;//it is easily to be misused between raddr and rdata
wire [ 4:0] RF_raddr2;
wire [31:0] RF_rdata1;
wire [31:0] RF_rdata2;
reg [ 8:0] current_state;
reg [ 8:0] next_state;
reg [31:0] Read_data_reg;
reg [31:0] Instruction_reg;
reg [31:0] PC_reg;
wire [ 5:0] opcode;// = Instruction[31:26];
wire [ 4:0] rs ;// = Instruction[25:21];
wire [ 4:0] rt ;// = Instruction[20:16];
wire [ 4:0] rd ;// = Instruction[15:11];
wire [ 4:0] sa ;// = Instruction[10:6];
wire [ 5:0] func ;// = Instruction[5:0];
wire [15:0] imm ;// = Instruction[15:0];
wire [25:0] instr_index;
assign opcode = Instruction_reg[31:26];
assign rs = Instruction_reg[25:21];
assign rt = Instruction_reg[20:16];
assign rd = Instruction_reg[15:11];
assign sa = Instruction_reg[10:6];
assign func = Instruction_reg[5:0];
assign imm = Instruction_reg[15:0];
assign instr_indx = Instruction_reg[25:0];
//wire for control unit
wire RegDst;//determine write register is rt/rd
wire Branch;/*branch has two types, the first one is whether it is a branch order
and the second one is wheter it meets the conditon*/
wire condition;//condition in branch
wire Load = opcode[5] & (~opcode[3]);
assign MemRead = (current_state == `state_MEM) ? Load : 0;
/*
lwr:
对于大端：从所指位置（地址）向低地址方向取数直至地址对齐，且按从低地址至高地址的顺序将数据排序，将排序好的数据存放在寄存器的低位。
对于小端：从所指位置（地址）向高低址方向取数直至地址对齐，且按从高地址至低地址的顺序将数据排序，将排序好的数据存放在寄存器的低位。
lwl：
对于大端：从所指位置（地址）向高地址方向取数直至地址对齐，且按从低地址至高地址的顺序将数据排序，将排序好的数据存放在寄存器的高位。
对于小端：从所指位置（地址）向低地址方向取数直至地址对齐，且按从高地址至低地址的顺序将数据排序，将排序好的数据存放在寄存器的高位。
*/
wire Store = opcode[5] & opcode[3];
assign MemWrite = (current_state == `state_MEM) ? Store : 0;
wire MemtoReg;//write back flag
wire [2:0] ALU_control;//the order of ALU;
wire ALUsrc;
/*
a wire that tells you whether the extension required
*/
wire [31:0] extend;//in case MR/MW/I_Type_cal extend number is required
wire [31:0] ALU_A;
wire [31:0] ALU_B;
wire [31:0] ALU_result;
wire Zero;/*
case 1 bltz,bgez,movz,movn,blez,bgtz needs zero wire to get the condtion
which means judge the value of rs
*/
//wire for shift
wire [31:0] shift_A;
wire [4:0] shift_B;
wire [1:0] shift_control;
wire [31:0] shift_result;
//wire for PC
wire [31:0] PC_4;//normally PC + 4
wire [31:0] PC_branch;//PC_4 + offset (imm) bltz/bgez/beq/bne/blez/bgtz
wire [31:0] PC_jump;
/*
case 1 R_type jump to (rs)
case 2 J_Type jump to (PC+4)[31:28]+Instr_index+00
*/
assign PC_4 = PC_reg+4;//can be replaced by a alu
wire [31:0] sign_extend = {{16{Instruction_reg[15]}},Instruction_reg[15:0]};
wire [31:0] zero_extend = {16'b0,Instruction_reg[15:0]};
wire [31:0] lui_extend = {Instruction_reg[15:0],16'b0};
wire [31:0] shift_sign_extend ={{14{Instruction_reg[15]}},Instruction_reg[15:0],2'b00};//for I-Type branch PC_4+ signed_extend(imm+00)
wire [1:0] vaddr;
wire [3:0] l_mask;
wire [7:0] load_byte;
wire [15:0] load_half;
wire [31:0] load_lwl;
wire [31:0] load_lwr;
wire [3:0] write_sb;//byte
wire [3:0] write_sh;//half
wire [3:0] write_sw;//word just 4'b1111
wire [3:0] write_swl;
wire [3:0] write_swr;
wire [31:0] result_sb;
wire [31:0] result_sh;
wire [31:0] result_sw;
wire [31:0] result_swl;
wire [31:0] result_swr;
wire op_sb = opcode ==`sb;
wire op_sh = opcode ==`sh;
wire op_sw = opcode ==`sw;
wire op_swl = opcode ==`swl;
wire op_swr = opcode ==`swr;
wire op_R_Type = opcode == 6'b000000;
wire op_R_Type_cal = op_R_Type&func[5];
wire op_R_Type_jump= op_R_Type&({func[5:3],func[1]}==4'b0010);
wire op_REGIMM = opcode == 6'b000001;
wire op_J_Type = opcode[5:1] == 5'b00001;
wire op_I_Type_branch = opcode[5:2] == 4'b0001;
wire op_I_Type_cal = opcode[5:3] == 3'b001;
wire op_j = opcode == 6'b000010;
wire op_jal = opcode == 6'b000011;
wire op_jalr = op_R_Type & (func == 6'b001001);
wire op_cal = op_R_Type&(func[5] == 1'b1)|op_I_Type_cal;
wire op_shift = op_R_Type&(func[5:3] == 3'b000);
wire op_jump = op_R_Type&({func[5:3],func[1]}==4'b0010)|op_J_Type;
wire op_mov = op_R_Type&({func[5:3],func[1]}==4'b0011);
wire op_PC_jump = (op_R_Type&({func[5:3],func[1]}==4'b0010));//for PC_jump to (rs)
wire op_EX = op_R_Type&~(Instruction_reg == {32{1'b0}})|op_REGIMM|op_J_Type|op_I_Type_branch|op_I_Type_cal|(opcode[5]&(~opcode[3]))|(opcode[5]&opcode[3]);
assign RegDst = op_R_Type ? 1 : 0;
assign Branch = op_I_Type_branch|op_REGIMM;
assign ALUsrc = op_I_Type_cal|Load|Store;
assign RF_wen = (current_state == `state_WB)&(op_cal|op_shift|(op_mov&(Zero^func[0]))|Load|op_jal|op_jalr);
assign RF_raddr1 = rs;
assign RF_raddr2 = rt;
assign RF_waddr = op_jal?31:(RegDst?rd:rt);
assign RF_wdata = {32{op_jal|op_jalr}}& (PC_reg+8)|
{32{op_shift}}& shift_result|
{32{op_mov&(Zero^func[0])}}& RF_rdata1|
{32{opcode==`lui}}& lui_extend|
{32{opcode==`lb }}& {{24{load_byte[7]}},load_byte}|
{32{opcode==`lbu}}& {{24{1'b0}},load_byte}|
{32{opcode==`lh }}& {{16{load_half[15]}},load_half}|
{32{opcode==`lhu}}& {{16{1'b0}},load_half}|
{32{opcode==`lw }}& Read_data_reg|
{32{opcode==`lwl}}& load_lwl|
{32{opcode==`lwr}}& load_lwr|
{32{op_cal&~(opcode==`lui)}}& ALU_result
;
//using mask for coding
assign vaddr = ALU_result[1:0];
assign l_mask = {vaddr[1]&vaddr[0],vaddr[1]&~vaddr[0],~vaddr[1]&vaddr[0],~vaddr[1]&~vaddr[0]};
assign load_byte = { 8{l_mask[3]}}&Read_data_reg[31:24]|
{ 8{l_mask[2]}}&Read_data_reg[23:16]|
{ 8{l_mask[1]}}&Read_data_reg[15: 8]|
{ 8{l_mask[0]}}&Read_data_reg[ 7: 0];
assign load_half = {16{l_mask[0]}}&Read_data_reg[15: 0]|
{16{l_mask[2]}}&Read_data_reg[31:16];
assign load_lwl = {32{l_mask[3]}}&Read_data_reg[31: 0]|
{32{l_mask[2]}}&{Read_data_reg[23:0],RF_rdata2[ 7:0]}|
{32{l_mask[1]}}&{Read_data_reg[15:0],RF_rdata2[15:0]}|
{32{l_mask[0]}}&{Read_data_reg[ 7:0],RF_rdata2[23:0]};
assign load_lwr = {32{l_mask[3]}}&{RF_rdata2[31: 8],Read_data_reg[31:24]}|
{32{l_mask[2]}}&{RF_rdata2[31:16],Read_data_reg[31:16]}|
{32{l_mask[1]}}&{RF_rdata2[31:24],Read_data_reg[31: 8]}|
{32{l_mask[0]}}&Read_data_reg[31:0];
assign ALU_control = {3{op_R_Type_cal&(func[3:2]==2'b00)}}&{func[1],2'b10}|
{3{op_R_Type_cal&(func[3:2]==2'b01)}}&{func[1],1'b0,func[0]}|
{3{op_R_Type_cal&(func[3:2]==2'b10)}}&{~func[0],2'b11}|
{3{op_I_Type_cal&(opcode[2:1]==2'b00)}}&{opcode[1],2'b10}|
{3{op_I_Type_cal& opcode[2]}}&{opcode[1],1'b0,opcode[0]}|
{3{op_I_Type_cal&(opcode[2:1]==2'b01)}}&{~opcode[0],2'b11}|
{3{Load|Store}}&`ADD|
{3{op_mov|opcode==`beq|opcode==`bne}}&`SUB| //sub rs-rt in beq/bne sub rs-0 in movz/movn
{3{op_REGIMM|opcode==`blez|opcode==`bgtz}}&`SLT//in mov A=(rs) B=0, in blez A=0,B=(rs)
;
assign extend = (op_I_Type_cal&opcode[2])?zero_extend:sign_extend;//(op_I_Type_cal&~opcode[2]|MemRead|MemWrite)
assign condition = ((opcode==`beq)&&Zero)|((opcode==`bne)&&~Zero)|((opcode==`blez)&&~ALU_result[0])|((opcode==`bgtz)&&ALU_result[0])|
(op_mov&~func[0]&Zero)|(op_mov&func[0]&~Zero)|(op_REGIMM&~rt[0]&ALU_result[0])|(op_REGIMM&rt[0]&~ALU_result[0]);
assign ALU_A = RF_rdata1&{32{~(op_mov|(opcode==`blez)|(opcode==`bgtz))}};
assign ALU_B = {32{ALUsrc}}&extend|{32{((opcode==`blez)|(opcode==`bgtz))}}&RF_rdata1|{32{~(ALUsrc|((opcode==`blez)|(opcode==`bgtz))|op_REGIMM)}}&RF_rdata2;
//model for shift R_Type
assign shift_control= func[1:0];
assign shift_A = RF_rdata2;
assign shift_B = (func[2])?RF_rdata1[4:0]:sa;
assign PC_branch = PC_4+shift_sign_extend;
reg_file ren_data(
.clk(clk),
.waddr(RF_waddr),
.raddr1(RF_raddr1),
.raddr2(RF_raddr2),
.wen(RF_wen),
.wdata(RF_wdata),
.rdata1(RF_rdata1),
.rdata2(RF_rdata2)
);
//model for shift operation
shifter EX_shift(
.A(shift_A),
.B(shift_B),
.Shiftop(shift_control),
.Result(shift_result)
);
//model for calculation operation and for calculating the
alu EX_alu(
.A(ALU_A),
.B(ALU_B),
.ALUop(ALU_control),
.Overflow(),
.CarryOut(),
.Zero(Zero),
.Result(ALU_result)
);
assign Address = {ALU_result[31:2],2'b00};
/*Aligned.The effective address must be naturally-aligned.
If either of the 2 least-significant bits of the address is non-zero, an Address Error exception occurs.*/
assign write_sw = 4'b1111;
assign write_sb = {{ALU_result[1:0]==2'b11},{ALU_result[1:0]==2'b10},{ALU_result[1:0]==2'b01},{ALU_result[1:0]==2'b00}};//3-4'b1000/2-4'b0100
assign write_sh = {4{ALU_result[1]}}&4'b1100|{4{~ALU_result[1]}}&4'b0011;
assign write_swl = {ALU_result[1]&ALU_result[0],ALU_result[1],ALU_result[1]|ALU_result[0],1'b1};//0,4'b0001 1,4'b0011 2,4'b0111 3,4'b1111
assign write_swr = {1'b1,~ALU_result[1]|~ALU_result[0],~ALU_result[1],~ALU_result[1]&~ALU_result[0]};
assign Write_strb = {4{op_sb}}&write_sb|{4{op_sh}}&write_sh|{4{op_sw}}&write_sw|{4{op_swl}}&write_swl|{4{op_swr}}&write_swr;
assign result_sb = {{8{write_sb [3]}}&RF_rdata2[ 7: 0],{8{write_sb [2]}}&RF_rdata2[ 7: 0],{8{write_sb [1]}}&RF_rdata2[ 7:0],{8{write_sb [0]}}&RF_rdata2[7:0]};
assign result_sh = {{16{write_sh[3]}}&RF_rdata2[15: 0],{16{write_sh[1]}}&RF_rdata2[15: 0]};
assign result_swl = {32{(write_swl==4'b0001)}} & {{24{1'b0}},RF_rdata2[31:24]} |
{32{(write_swl==4'b0011)}} & {{16{1'b0}},RF_rdata2[31:16]} |
{32{(write_swl==4'b0111)}} & {{ 8{1'b0}},RF_rdata2[31: 8]};
assign result_swr = {32{(write_swr==4'b1110)}} & {RF_rdata2[23:0],{ 8{1'b0}}} |
{32{(write_swr==4'b1100)}} & {RF_rdata2[15:0],{16{1'b0}}} |
{32{(write_swr==4'b1000)}} & {RF_rdata2[ 7:0],{24{1'b0}}};
assign Write_data = {32{op_sb}}&result_sb|{32{op_sh}}&result_sh|{32{op_swl}}&result_swl|{32{op_swr}}&result_swr|{32{~(Store)|op_sw}}&RF_rdata2;
assign PC_jump= {32{op_PC_jump}}&RF_rdata1|{32{~op_PC_jump}}&{PC_4[31:28],Instruction_reg[25:0],2'b00};
always@(posedge clk)begin
if(rst)begin
PC<=32'b0;
end
else begin
if(current_state == `state_IF )
PC<=PC+4;
else
if(current_state == `state_EX && (op_jump|(Branch&condition)))
if(op_jump)
PC<=PC_jump;
else
PC<=PC_branch;
end
end
always@(posedge clk)begin
if(current_state == `state_IF)begin
PC_reg<=PC;
end
end
always@(posedge clk)begin
if(current_state == `state_IF)begin
Instruction_reg<= Instruction;
end
end
always@(posedge clk)begin
if(MemRead == 1'b1)begin
Read_data_reg<=Read_data;
end
end
always @(posedge clk)begin
if(rst == 1'b1)begin
current_state<=`state_IF;
end
else begin
current_state<=next_state;
end
end
always @(*)begin
case(current_state)
`state_IF : begin
next_state = `state_ID;
end
`state_ID : begin
if(op_EX == 1'b1)
next_state = `state_EX;
else
next_state = `state_IF;
end
`state_EX : begin
if(op_REGIMM|op_I_Type_branch|op_j)
next_state = `state_IF;
else
if(op_R_Type|op_jal|op_I_Type_cal)
next_state = `state_WB;
else if(Load|Store)
next_state = `state_MEM;
else
next_state = `state_EX;
end
`state_MEM: begin
if(Load)
next_state = `state_WB;
else
if(Store)
next_state = `state_IF;
else
next_state = `state_MEM;
end
`state_WB : begin
next_state = `state_IF;
end
default:
next_state = `state_IF;
endcase
end
endmodule
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