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手把手教你自己动手写cpu（六）--算术操作指令实现

时间：2024-09-20 10:20:48浏览次数：10  
标签：begin wire -- 手把手 31 cpu result input reg

目录

1. 加法指令（Addition）

实现思路

Verilog 实现示例

2. 减法指令（Subtraction）

实现思路

Verilog 实现示例

3. 乘法指令（Multiplication）

实现思路

Verilog 实现示例

4. 除法指令（Division）

实现思路

Verilog 实现示例

ALU 模块

乘法器模块

除法器模块

顶层模块

测试模块

总结

 

算术操作指令是计算机体系结构中非常重要的一部分，它们用于执行基本的数学运算，如加法、减法、乘法和除法。这些指令通常由算术逻辑单元（ALU）来实现。下面我将详细介绍如何在硬件设计中实现这些基本的算术操作指令。

1. 加法指令（Addition）

加法是最基本的算术操作之一，通常用于将两个数相加。

实现思路

  1. 获取操作数：

    • 从寄存器文件中读取两个操作数（源寄存器A和源寄存器B）。

  2. 执行加法：

    • 将两个操作数送入ALU，设置ALU的控制信号以执行加法操作。

  3. 存储结果：

    • 将ALU的输出结果写回到目标寄存器中。

Verilog 实现示例

 

verilog

深色版本

1module add_instruction (
2    input wire clk,
3    input wire rst_n,
4    input wire [4:0] rs,
5    input wire [4:0] rt,
6    input wire [4:0] rd,
7    input wire reg_write,
8    input wire [31:0] reg_rs,
9    input wire [31:0] reg_rt,
10    output reg [31:0] result
11);
12
13    // ALU
14    wire [31:0] alu_out;
15    alu #(.WIDTH(32)) alu_inst (
16        .A(reg_rs),
17        .B(reg_rt),
18        .op(ALU_ADD),
19        .result(alu_out)
20    );
21
22    // 寄存器文件写入
23    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
24        if (!rst_n) begin
25            result <= 0;
26        end else if (reg_write) begin
27            result <= alu_out;
28        end
29    end
30
31endmodule

2. 减法指令（Subtraction）

减法是另一种常见的算术操作，通常用于从一个数中减去另一个数。

实现思路

  1. 获取操作数：

    • 从寄存器文件中读取两个操作数（源寄存器A和源寄存器B）。

  2. 执行减法：

    • 将两个操作数送入ALU，设置ALU的控制信号以执行减法操作（通常通过将第二个操作数取反后加1来实现）。

  3. 存储结果：

    • 将ALU的输出结果写回到目标寄存器中。

Verilog 实现示例

 

verilog

深色版本

1module sub_instruction (
2    input wire clk,
3    input wire rst_n,
4    input wire [4:0] rs,
5    input wire [4:0] rt,
6    input wire [4:0] rd,
7    input wire reg_write,
8    input wire [31:0] reg_rs,
9    input wire [31:0] reg_rt,
10    output reg [31:0] result
11);
12
13    // ALU
14    wire [31:0] alu_out;
15    alu #(.WIDTH(32)) alu_inst (
16        .A(reg_rs),
17        .B({31{reg_rt[31]}}, reg_rt[30:0]), // 对第二个操作数进行取反
18        .op(ALU_ADD),  // 使用加法实现减法
19        .result(alu_out)
20    );
21
22    // 寄存器文件写入
23    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
24        if (!rst_n) begin
25            result <= 0;
26        end else if (reg_write) begin
27            result <= alu_out;
28        end
29    end
30
31endmodule

3. 乘法指令（Multiplication）

乘法操作用于将两个数相乘，生成一个更大的结果。

实现思路

  1. 获取操作数：

    • 从寄存器文件中读取两个操作数（源寄存器A和源寄存器B）。

  2. 执行乘法：

    • 将两个操作数送入乘法器（Multiplier），执行乘法操作。

  3. 存储结果：

    • 将乘法器的输出结果写回到目标寄存器中。

Verilog 实现示例

 

verilog

深色版本

1module mul_instruction (
2    input wire clk,
3    input wire rst_n,
4    input wire [4:0] rs,
5    input wire [4:0] rt,
6    input wire [4:0] rd,
7    input wire reg_write,
8    input wire [31:0] reg_rs,
9    input wire [31:0] reg_rt,
10    output reg [31:0] result
11);
12
13    // 乘法器
14    wire [63:0] mul_out;
15    multiplier #(.WIDTH(32)) mul_inst (
16        .A(reg_rs),
17        .B(reg_rt),
18        .product(mul_out)
19    );
20
21    // 寄存器文件写入
22    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
23        if (!rst_n) begin
24            result <= 0;
25        end else if (reg_write) begin
26            result <= mul_out[31:0]; // 假设只需要低32位的结果
27        end
28    end
29
30endmodule

4. 除法指令（Division）

除法操作用于将一个数除以另一个数，生成商和余数。

实现思路

  1. 获取操作数：

    • 从寄存器文件中读取两个操作数（源寄存器A和源寄存器B）。

  2. 执行除法：

    • 将两个操作数送入除法器（Divider），执行除法操作。

  3. 存储结果：

    • 将除法器的输出结果写回到目标寄存器中。

Verilog 实现示例

 

verilog

深色版本

1module div_instruction (
2    input wire clk,
3    input wire rst_n,
4    input wire [4:0] rs,
5    input wire [4:0] rt,
6    input wire [4:0] rd,
7    input wire reg_write,
8    input wire [31:0] reg_rs,
9    input wire [31:0] reg_rt,
10    output reg [31:0] result
11);
12
13    // 除法器
14    wire [31:0] div_quotient;
15    divider #(.WIDTH(32)) div_inst (
16        .A(reg_rs),
17        .B(reg_rt),
18        .quotient(div_quotient)
19    );
20
21    // 寄存器文件写入
22    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
23        if (!rst_n) begin
24            result <= 0;
25        end else if (reg_write) begin
26            result <= div_quotient; // 商
27        end
28    end
29
30endmodule

ALU 模块

为了更好地理解和实现上述指令，我们需要定义一个 ALU 模块来执行不同的算术操作。

 

verilog

深色版本

1module alu (
2    input wire [31:0] A,
3    input wire [31:0] B,
4    input wire [1:0] op,
5    output reg [31:0] result
6);
7
8    always @(*) begin
9        case (op)
10            2'b00: result = A + B; // 加法
11            2'b01: result = A - B; // 减法
12            2'b10: result = A & B; // AND
13            2'b11: result = A | B; // OR
14            default: result = 32'b0;
15        endcase
16    end
17
18endmodule

乘法器模块

乘法器模块用于执行乘法操作。

 

verilog

深色版本

1module multiplier (
2    input wire [31:0] A,
3    input wire [31:0] B,
4    output reg [63:0] product
5);
6
7    always @(*) begin
8        product = A * B;
9    end
10
11endmodule

除法器模块

除法器模块用于执行除法操作。

 

verilog

深色版本

1module divider (
2    input wire [31:0] A,
3    input wire [31:0] B,
4    output reg [31:0] quotient
5);
6
7    // 简化版的除法器实现
8    always @(A, B) begin
9        quotient = A / B;
10    end
11
12endmodule

顶层模块

最后，我们需要将所有这些模块集成到一个顶层模块中，并添加必要的控制逻辑。

 

verilog

深色版本

1module top_processor (
2    input wire clk,
3    input wire rst_n,
4    input wire [31:0] instr,
5    output reg [31:0] result
6);
7
8    // 寄存器文件
9    reg [31:0] regs[0:31];
10    reg [4:0] rs, rt, rd;
11    reg reg_write;
12
13    // ALU 控制信号
14    reg [1:0] alu_op;
15
16    // 解码指令
17    always @(instr) begin
18        rs = instr[25:21];
19        rt = instr[20:16];
20        rd = instr[15:11];
21        reg_write = instr[5];
22        alu_op = instr[10:9];
23    end
24
25    // 寄存器文件读取
26    wire [31:0] reg_rs, reg_rt;
27    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
28        if (!rst_n) begin
29            for (int i = 0; i < 32; i = i + 1)
30                regs[i] <= 0;
31        end else begin
32            reg_rs <= regs[rs];
33            reg_rt <= regs[rt];
34        end
35    end
36
37    // ALU
38    alu #(.WIDTH(32)) alu_inst (
39        .A(reg_rs),
40        .B(reg_rt),
41        .op(alu_op),
42        .result(result)
43    );
44
45    // 寄存器文件写入
46    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
47        if (!rst_n) begin
48            for (int i = 0; i < 32; i = i + 1)
49                regs[i] <= 0;
50        end else if (reg_write) begin
51            regs[rd] <= result;
52        end
53    end
54
55endmodule

测试模块

为了验证上述模块的正确性，可以编写一个测试模块来模拟基本的操作。

 

verilog

深色版本

1module test;
2
3    // 时钟信号
4    reg clk;
5    always #5 clk = ~clk;
6
7    // 重置信号
8    reg rst_n = 1'b1;
9
10    // 指令输入信号
11    reg [31:0] instr;
12
13    // 输出数据信号
14    wire [31:0] result;
15
16    // 顶层模块实例化
17    top_processor top_inst (
18        .clk(clk),
19        .rst_n(rst_n),
20        .instr(instr),
21        .result(result)
22    );
23
24    initial begin
25        // 测试序列
26        $display("Starting test...");
27
28        // 设置指令
29        instr = 32'h00000020;  // add $t0, $t1, $t2
30        #100;
31
32        // 检查结果
33        if (result == 32'hDEADBEEF) begin
34            $display("Test passed for add.");
35        end else begin
36            $display("Test failed for add.");
37        end
38
39        // 设置指令
40        instr = 32'h00000021;  // sub $t0, $t1, $t2
41        #100;
42
43        // 检查结果
44        if (result == 32'hDEADBEEF) begin
45            $display("Test passed for sub.");
46        end else begin
47            $display("Test failed for sub.");
48        end
49
50        // 设置指令
51        instr = 32'h00000022;  // mul $t0, $t1, $t2
52        #100;
53
54        // 检查结果
55        if (result == 32'hDEADBEEF) begin
56            $display("Test passed for mul.");
57        end else begin
58            $display("Test failed for mul.");
59        end
60
61        // 设置指令
62        instr = 32'h00000023;  // div $t0, $t1, $t2
63        #100;
64
65        // 检查结果
66        if (result == 32'hDEADBEEF) begin
67            $display("Test passed for div.");
68        end else begin
69            $display("Test failed for div.");
70        end
71
72        $display("Test finished.");
73        $finish;
74    end
75
76endmodule

总结

上述实现提供了一个基本的框架来理解算术操作指令的实现思路。实际的应用中，还需要考虑更多的细节，如流水线的设计、异常检测等。同时，根据不同的指令集架构（如 MIPS、ARM、X86 等），具体的实现细节也会有所不同。

 

标签：begin,wire,--,手把手,31,cpu,result,input,reg
From： https://blog.csdn.net/MHD0815/article/details/142368888

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