一个简单cpu的设计，实现，仿真与综合

haidaowang · 发表于 2020-5-15 13:46

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x

引言
经过对OpenRISC近一年的分析与研究，在此过程中我们了解了计算机体系结构设计相关的主要概念，重要的技术，和基本思想。我觉的，现在我们有必要练练手了。

本小节，我们将设计一个简单的cpu，包括ISA的设计，模块的划分，RTL实现，编写asm汇编程序，用modelsim进行仿真，以及用quartusII的综合。

1，计算器与计算机
我认为，在EDVAC计算机之前的计算机，都可认为是计算器。

原因是，冯诺依曼对EDVAC分析时提出了二进制运算和加入存储部件，而在这之前的计算机是没有存储功能的，比如我们要计算（1+2）&（3+4），如果是采用计算器，其运算步骤如下：

a，先用计算器算出1+2的结果3，然后人脑自己记住这个数。

b，再用计算器计算出3+4的结果7，人脑也自己记住这个数。

c，最后用计算器算出3&7的结果3。

如果采用计算机，其运算过程如下：

首先我们需要写一段程序，假设程序放在程序存储器的地址0x0处，数据1,2,3,4分别放在数据存储器的55,56,57,58四个地址。

程序的执行过程如下：

a，将data_mem的0x55处的数据放到r1。

b，将data_mem的0x56处的数据放到r2。

c，执行add r2，r1，结果放在r2里面。

d，将r2的内容写入到data_mem的0x60这个地址。

e，将data_mem的0x57处的数据放到r3。

f，将data_mem的0x58处的数据放到r4。

g，执行add r4，r3，结果放在r4里面。

h，将r4的内容写入到data_mem的0x61这个地址。

i，将data_mem的0x60处的数据放到r5。

j，将data_mem的0x61处的数据放到r6。

k，执行and r6，r5，结果放在r6里面。

l，将r6的内容写入到data_mem的0x62这个地址，最终得到计算结果。

我们可以看出，如果用计算器计算，只需三步就可以完成，但是如果用计算机的话需要12步才能完成。那是不是用计算机的效率低呢？今天计算机的蓬勃发展使答案不言而喻。

原因就是只要实现写好程序，用计算机的整个计算过程不用人为干预。

我想这正是计算机发展的根本原因之所在，就是计算机的出现是对人的很大解放。我们只要按照一定的方式写好程序，然后交给计算机，计算机会自动完成任务，而我们的手就可以干些其他的事情了！

2，架构设计
1>整体设计
通过上面的例子，我们可以体会到计算机的好处，下面我们就动手设计一个cpu，来完成1+2的计算。

关于计算机体系结构，我们之前说过的内容已经够多了。这里只说明以下几点：

a，我们采用harvard结构，即，指令和数据的总线是独立的。

b，流水线，我们暂时不采用流水设计，但是在最后，我给出了五级流水时的数据通路设计框架。

c，关于指令集，由于是学习目的，我们只实现基本的访存指令，运算指令和分支指令。运算不支持乘除和浮点。关于具体的指令细节，请参考附录。每条指令为16-bit。

d，为了对我们设计的cpu进行仿真和验证，我们需要设计一个简单的soc才行，这个soc只包含指令存储器，cpu内核，数据存储器。

e，core内总线为8-bit。这就有一个问题，core外是8-bit，但是分支指令的目的地址为11-bit，所以如果超过8-bit，就会有问题，暂时还没解决。

下面是soc的整体架构图：我们给他取个名字吧，就叫 tiny_soc，小cpu就简单的称她为tiny_core。

2>模块划分
cpu core的结构如下：

整个cpu core由数据通路和控制通路和调试单元组成。

其中数据通路包括：

PC的产生模块：genpc

运算模块：alu，在alu的前面是对操作数多选一的一个mux。

寄存器堆：regfile模块

还有栈：stack。

数据通路受控制通路模块ctrl_path模块的控制，控制通路负责指令的解码，并产生对应的控制信号。

调试单元，由于只是学习目的，调试单元最简化，只输出当前的PC值和当前的指令内容两个信息。

3，模块划分与接口定义
整体的架构设计完成后，我们就需要进一步的细化了，这时，需要定义具体的模块名称，模块功能，一旦功能确定之后我们就可以确定具体的模块接口信号了。

如果模块功能过大，我们需要拆分成更小的模块，这就是top-down的设计方法。关于设计方法学（top-down，bottom-up），很多资料里都有介绍，这里就不再赘述了。

一个完整的工程，和做理论研究不同，需要处理很多实现细节，下面，我们介绍一下，其中比较重要的部分：

1>genpc模块
这里面需要考虑三点：上电复位PC默认值为多少？正常指令执行时PC如何变化？遇到分支指令时PC如何变化？

关于上电默认值，我们可以通过一个define语句来设定，允许用户后期修改方便。

关于正常指令的指令，PC是加1还是加2还是加4，这要看指令存储器的访问方式，我们的指令存储器是每个地址放一条指令，每条指令是2个字节（16-bit），所以我们只要PC加1就可以了。

关于遇到分支指令，我们直接将控制通路经过解码的跳转地址赋给PC即可。

genpc模块的C语言伪代码如下：

genpc module pseudo code

if(rst)
{
pc= boot_addr；
}
else
{
if(branch)
{
pc = branch_target;
}
else
{
pc = pc +1;
}
}

2>alu模块
alu模块，大家都很熟悉了，是执行单元部件，负责运算指令的运算工作。

这个模块的输入信号是有控制通路的解码出来的操作数和操作码，输出信号就是运算结果。

需要说明的是，这个模块可以完全是组合逻辑电路。

3>RF模块
register file模块，从物理上来说，就是一个block ram。

从逻辑上来说，这个模块是对软件程序员是透明的，寄存器堆和指令集是软件和硬件的交互接口。

4>stack
stack（栈），是用来处理分支指令时，存放PC的值的，比如，我们在处理子程序调用时，需要先将当前的PC+1压栈，等到遇到子程序返回指令时使用。

栈的特点是LIFO（last in first out），这一点与heap（堆）不同。

5>ctrl_path模块
控制通路负责将genpc模块产生的地址处的指令进行解码，并产生对应的操作数，操作码和控制型号。这部分信号比较多一点。

6>tiny_soc
为了测试这个cpu内核，我们需要搭一个最小系统，包括指令只读存储器insn_rom模块，里面存放机器码。

由于是harvard结构，所以还需要一个数据存储器ram模块，相当于内存。

当然，如果想外挂其他I/O外设，我们只需要定义其地址空间即可，需要说明的是I/O外设的地址空间不能与RAM重叠，各个I/O外设之间也不能重叠。

RAM和I/O外设之间可通过一个arbiter与cpu core实现数据交互。

当然，如果存放指令的地方不止一个，也需要一个指令arbiter。

4，RTL实现
在完成模块划分，接口定义，仔细分析考虑模块间时序之后，如果没有什么问题，我们就可以进行编码工作了。

编码，需要注意的是编码一定要规范，信号命名，代码注释什么的，尽量要仔细。这里直接给出RTL代码（verilog HDL）

按照自上而下的顺序依次给出：

1>tiny_soc顶层模块：soc_top

/*
*
* file name : soc_top.v
* author : Rill
* date : 2013-08-11
*
*/

`timescale 1ns / 1ps

module soc_top
(
input clk,
input rst
);

wire    read_e;
wire    write_e;
wire [7:0] port_addr;
wire [7:0] core_in;
wire [7:0] core_out;
wire [15:0] instruction;
wire [10:0] inst_addr;

wire [15:0] debug_insn;
wire [10:0] debug_pc;

insn_rom insn_rom
(
.clk (clk),
.rst (rst),
.address (inst_addr),
.instruction (instruction)
);

core core
(
.clk (clk),
.rst (rst),

.read_e (read_e),
.write_e (write_e),
.port_addr (port_addr),
.data_in (core_in),
.data_out (core_out),
.inst_addr (inst_addr),
.instruction (instruction),
.debug_pc (debug_pc),
.debug_insn (debug_insn)
);

ram ram
(
.clk (clk),
.rst (rst),

.wr (write_e),
.rd (read_e),
.addr (port_addr),
.din (core_out),
.dout(core_in)
);

endmodule

2>指令存储器：insn_rom

/*
*
* file name : insn_rom.v
* author : Rill
* date : 2013-08-11
*
*/

module insn_rom
(
input clk,
input rst,
input [10:0] address,
output reg [15:0] instruction
);

//(* RAM_STYLE="BLOCK" *)
reg [15:0] rom [2047:0];

always @(posedge clk)
begin
if(rst)
begin
rom[0] <= 16'h5801;//0: jmp start
rom[1] <= 16'h1101;//1:start mov r1,1
rom[2] <= 16'h1202;//2: mov r2,2
rom[3] <= 16'h3220;//3: add r2,r1
rom[4] <= 16'h2237;//4: str r2,55
rom[5] <= 16'h5806;//5: jmp end
rom[6] <= 16'h5806;//6:end jmp end*/
end
else
begin
instruction <= rom[address];
end
end

endmodule

3>数据存储器：ram

*
*
* file name : ram.v
* author : Rill
* date : 2013-08-11
*
*/

module ram(
input clk,
input rst,

input [7:0] din,
input [7:0] addr,
output reg [7:0] dout,
input wr,
input rd
);

(* RAM_STYLE="DISTRIBUTED" *)

reg [7:0] ram [255:0];

always @(posedge clk)
begin
if(rst)
begin
dout <= 8'b0;
ram[0] = 0;
ram[1] = 1;
ram[2] = 2;
ram[32] = 32;
ram[64] = 64;

end
else
begin
if (wr)
ram[addr] <= din;
else if(rd)
dout <= ram[addr];
end
end

endmodule

4>CPU核心：core

/*
*
* file name : core.v
* author : Rill
* date : 2013-08-11
*
*/

module core
(
input clk,
input rst,
output [7:0] port_addr,
output read_e,
output write_e,
input [7:0] data_in,
output [7:0] data_out,
output [10:0] inst_addr,
input [15:0] instruction,

output [10:0] debug_pc,//debug i/f
output [15:0] debug_insn
);

wire z,c;
wire insel;
wire we;
wire [2:0] raa;
wire [2:0] rab;
wire [2:0] wa;
wire [2:0] opalu;
wire [2:0] sh;
wire selpc;
wire ldpc;
wire ldflag;
wire [10:0] ninst_addr;
wire selk;
wire [7:0] KTE;
wire [10:0] stack_addr;
wire wr_en, rd_en;
wire [7:0] imm;
wire selimm;

control_path control_path
(
.clk (clk),
.rst (rst),
.instruction (instruction),
.z (z),
.c (c),
.port_addr (port_addr),
.write_e (write_e),
.read_e (read_e),
.insel (insel),
.we (we),
.raa (raa),
.rab (rab),
.wa (wa),
.opalu (opalu),
.sh (sh),
.selpc (selpc),
.ldpc (ldpc),
.ldflag (ldflag),
.naddress (ninst_addr),
.selk (selk),
.KTE (KTE),
.stack_addr (stack_addr),
.wr_en (wr_en),
.rd_en (rd_en),
.imm (imm),
.selimm (selimm)
);

data_path data_path_i
(
.clk (clk),
.rst (rst),
.data_in (data_in),
.insel (insel),
.we (we),
.raa (raa),
.rab (rab),
.wa (wa),
.opalu (opalu),
.sh (sh),
.selpc (selpc),
.selk (selk),
.ldpc (ldpc),
.ldflag (ldflag),
.wr_en (wr_en),
.rd_en (rd_en),
.ninst_addr (ninst_addr),
.kte (KTE),
.imm (imm),
.selimm (selimm),
.data_out (data_out),
.inst_addr (inst_addr),
.stack_addr (stack_addr),
.z (z),
.c (c)
);

debug debug
(
.pc_in (inst_addr),
.insn_in (instruction),

.pc (debug_pc),
.insn (debug_insn)
);

endmodule

5>调试单元：debug

/*
*
* file name : debug.v
* author : Rill
* date : 2013-08-11
*
*/

module debug
(
input [10:0] pc_in,
input [15:0] insn_in,

output [10:0] pc,
output [15:0] insn
);

assign pc = pc_in;
assign insn = insn_in;

endmodule

6>控制通路：control_path

/*
*
* file name : control_path.v
* author : Rill
* date : 2013-08-11
*
*/

module control_path
(
input clk,
input rst,
input [15:0] instruction,
input z,
input c,
output reg [7:0] port_addr,
output reg write_e,
output reg read_e,
output reg insel,
output reg we,
output reg [2:0] raa,
output reg [2:0] rab,
output reg [2:0] wa,
output reg [2:0] opalu,
output reg [2:0] sh,
output reg selpc,
output reg ldpc,
output reg ldflag,
output reg [10:0] naddress,
output reg selk,
output reg [7:0] KTE,
input [10:0] stack_addr,
output reg wr_en, rd_en,
output reg [7:0] imm,
output reg selimm
);

parameter fetch= 5'd0;
parameter decode= 5'd1;

parameter ldi= 5'd2;
parameter ldm= 5'd3;
parameter stm= 5'd4;
parameter cmp= 5'd5;
parameter add= 5'd6;
parameter sub= 5'd7;
parameter andi= 5'd8;
parameter oor= 5'd9;
parameter xori= 5'd10;
parameter jmp= 5'd11;
parameter jpz= 5'd12;
parameter jnz= 5'd13;
parameter jpc= 5'd14;
parameter jnc= 5'd15;
parameter csr= 5'd16;
parameter ret= 5'd17;

parameter adi= 5'd18;
parameter csz= 5'd19;
parameter cnz= 5'd20;
parameter csc= 5'd21;
parameter cnc= 5'd22;
parameter sl0= 5'd23;
parameter sl1= 5'd24;
parameter sr0= 5'd25;
parameter sr1= 5'd26;
parameter rrl= 5'd27;
parameter rrr= 5'd28;
parameter noti= 5'd29;

parameter nop= 5'd30;

wire [4:0] opcode;
reg [4:0] state;

assign opcode=instruction[15:11];

always@(posedge clk or posedge rst)
begin
if (rst)
begin
state<=decode;
end

else
begin
case (state)
fetch:
begin
state<=decode;
end

decode:
begin
if(opcode >=ldi && opcode <=nop)
state <= opcode;//state just is the opcode now
else
state <= nop;
end

default:
state<=fetch;
endcase
end

end

always@(*)
begin
port_addr<=0;
write_e<=0;
read_e<=0;
insel<=0;
we<=0;
raa<=0;
rab<=0;
wa<=0;
opalu<=4;
sh<=4;
selpc<=0;
ldpc<=1;
ldflag<=0;
naddress<=0;
selk<=0;
KTE<=0;
wr_en<=0;
rd_en<=0;
imm<=0;
selimm<=0;

case (state)
fetch: begin
ldpc<=0;
end

decode: begin
ldpc<=0;
if (opcode==stm)
begin
raa<=instruction[10:8];
port_addr<=instruction[7:0];
end
else if (opcode==ldm)
begin
wa<=instruction[10:8];
port_addr<=instruction[7:0];
end
else if (opcode==ret)
begin
rd_en<=1;
end
end

ldi: begin
selk<=1;
KTE<=instruction[7:0];
we<=1;
wa<=instruction[10:8];
end

ldm: begin
wa<=instruction[10:8];
we<=1;
read_e<=1;
port_addr<=instruction[7:0];
end

stm: begin
raa<=instruction[10:8];
write_e<=1;
port_addr<=instruction[7:0];
end

cmp: begin
ldflag<=1;
raa<=instruction[10:8];
rab<=instruction[7:5];
opalu<=6;
end

add: begin
raa<=instruction[10:8];
rab<=instruction[7:5];
wa<=instruction[10:8];
insel<=1;
opalu<=5;
we<=1;
end

sub: begin
raa<=instruction[10:8];
rab<=instruction[7:5];
wa<=instruction[10:8];
insel<=1;
opalu<=6;
we<=1;
end

andi: begin
raa<=instruction[10:8];
rab<=instruction[7:5];
wa<=instruction[10:8];
insel<=1;
opalu<=1;
we<=1;
end

oor: begin
raa<=instruction[10:8];
rab<=instruction[7:5];
wa<=instruction[10:8];
insel<=1;
opalu<=3;
we<=1;
end

xori: begin
raa<=instruction[10:8];
rab<=instruction[7:5];
wa<=instruction[10:8];
insel<=1;
opalu<=2;
we<=1;
end

jmp: begin
naddress<=instruction[10:0];
selpc<=1;
ldpc<=1;
end

jpz: if (z)
begin
naddress<=instruction[10:0];
selpc<=1;
ldpc<=1;
end

jnz: if (!z)
begin
naddress<=instruction[10:0];
selpc<=1;
ldpc<=1;
end

jpc: if (c)
begin
naddress<=instruction[10:0];
selpc<=1;
ldpc<=1;
end

jnc: if (!c)
begin
naddress<=instruction[10:0];
selpc<=1;
ldpc<=1;
end

csr: begin
naddress<=instruction[10:0];
selpc<=1;
ldpc<=1;
wr_en<=1;
end

ret: begin
naddress<=stack_addr;
selpc<=1;
ldpc<=1;
end

adi: begin
raa<=instruction[10:8];
wa<=instruction[10:8];
imm<=instruction[7:0];
selimm<=1;
insel<=1;
opalu<=5;
we<=1;
end

csz: if (z)
begin
naddress<=instruction[10:0];
selpc<=1;
ldpc<=1;
wr_en<=1;
end

cnz: if (!z)
begin
naddress<=instruction[10:0];
selpc<=1;
ldpc<=1;
wr_en<=1;
end

csc: if (c)
begin
naddress<=instruction[10:0];
selpc<=1;
ldpc<=1;
wr_en<=1;
end

cnc: if (!c)
begin
naddress<=instruction[10:0];
selpc<=1;
ldpc<=1;
wr_en<=1;
end

sl0: begin
raa<=instruction[10:8];
wa<=instruction[10:8];
insel<=1;
sh<=0;
we<=1;
end

sl1: begin
raa<=instruction[10:8];
wa<=instruction[10:8];
insel<=1;
sh<=5;
we<=1;
end

sr0: begin
raa<=instruction[10:8];
wa<=instruction[10:8];
insel<=1;
sh<=2;
we<=1;
end

sr1: begin
raa<=instruction[10:8];
wa<=instruction[10:8];
insel<=1;
sh<=6;
we<=1;
end

rrl: begin
raa<=instruction[10:8];
wa<=instruction[10:8];
insel<=1;
sh<=1;
we<=1;
end

rrr: begin
raa<=instruction[10:8];
wa<=instruction[10:8];
insel<=1;
sh<=3;
we<=1;
end

noti: begin
raa<=instruction[10:8];
wa<=instruction[10:8];
insel<=1;
opalu<=0;
we<=1;
end

nop: begin
opalu<=4;
end
endcase
end

endmodule

7>数据通路：data_path

/*
*
* file name : data_path.v
* author : Rill
* date : 2013-08-11
*
*/

module data_path
(
input clk,
input rst,
input [7:0] data_in,
input insel,
input we,
input [2:0] raa,
input [2:0] rab,
input [2:0] wa,
input [2:0] opalu,
input [2:0] sh,
input selpc,
input selk,
input ldpc,
input ldflag,
input wr_en, rd_en,
input [10:0] ninst_addr,
input [7:0] kte,
input [7:0] imm,
input selimm,
output [7:0] data_out,
output [10:0] inst_addr,
output [10:0] stack_addr,
output  z,c
);

wire [7:0] regmux, muximm;
wire [7:0] portA, portB;

wire [7:0] shiftout;

assign data_out=shiftout;

genpc genpc
(
.clk (clk),
.rst (rst),

.ldpc (ldpc),
.selpc (selpc),
.ninst_addr (ninst_addr),

.inst_addr (inst_addr)
);

alu_mux alu_mux
(
.selimm (selimm),
.imm (imm),
.portB (portB),

.muximm (muximm)
);

alu alu
(
.a (portA),
.b (muximm),
.opalu (opalu),
.ldflag (ldflag),
.zero (z),
.carry (c),
.sh (sh),
.dshift (shiftout)
);

stack stack
(
.clk (clk),
.rst (rst),
.wr_en (wr_en),
.rd_en (rd_en),
.din (inst_addr),
.dout (stack_addr)
);

regfile_mux regfile_mux
(
.insel (insel),
.selk (selk),
.shiftout (shiftout),
.kte (kte),
.data_in (data_in),

.regmux (regmux)
);

regfile regfile
(
.datain (regmux),
.clk (clk),
.we (we),
.wa (wa),
.raa (raa),
.rab (rab),
.porta (portA),
.portb (portB)
);

endmodule

8>程序计算器：genpc

/*
*
* file name : genpc.v
* author : Rill
* date : 2013-08-11
*
*/

`define boot_addr 0    //boot address after power on

module genpc
(
input clk,
input rst,

input ldpc,
input selpc,
input [10:0] ninst_addr,

output [10:0] inst_addr
);

reg [10:0] pc;

assign inst_addr=pc;

always@(posedge clk or posedge rst)
begin
if (rst)
pc <=`boot_addr;
else
if (ldpc)
if(selpc)
pc<=ninst_addr;
else
pc<=pc+1;
end

endmodule

9>运算单元：alu ，alu_mux

/*
*
* file name : alu_mux.v
* author : Rill
* date : 2013-08-11
*
*/

module alu_mux
(
input selimm,
input [7:0] imm,
input [7:0] portB,

output [7:0] muximm
);

assign muximm = selimm? imm : portB;//result : imm if ldi insn,portb if ldm insn

endmodule

/*
*
* file name : alu.v
* author : Rill
* date : 2013-08-11
*
*/

module alu
(
input [7:0] a,
input [7:0] b,
input [2:0] opalu,
input ldflag,
output zero,
output carry,
input [2:0] sh,
output reg [7:0] dshift
);

reg [7:0] resu;

assign zero=ldflag?(resu==0):1'b0;

assign carry=ldflag?(a<b):1'b0;

always@(*)
case (opalu)
0: resu <= ~a;
1: resu <= a & b;
2: resu <= a ^ b;
3: resu <= a | b;
4: resu <= a;
5: resu <= a + b;
6: resu <= a - b;
default: resu <= a + 1;
endcase

always@*
case (sh)
0: dshift <= {resu[6:0], 1'b0};
1: dshift <= {resu[6:0], resu[7]};
2: dshift <= {1'b0, resu[7:1]};
3: dshift <= {resu[0], resu[7:1]};
4: dshift <= resu;
5: dshift <= {resu[6:0], 1'b1};
6: dshift <= {1'b1, resu[7:1]};
default: dshift <= resu;
endcase

endmodule

10>寄存器堆：regfile，regfile_mux

/*
*
* file name : regfile_mux.v
* author : Rill
* date : 2013-08-11
*
*/

module regfile_mux
(
input insel,
input selk,
input [7:0] shiftout,
input [7:0] kte,
input [7:0] data_in,

output [7:0] regmux
);

wire [7:0] muxkte;

assign regmux=insel? shiftout : muxkte;
assign muxkte=selk? kte : data_in;

endmodule

/*
*
* file name : regfile.v
* author : Rill
* date : 2013-08-11
*
*/

module regfile(
input [7:0] datain,
input clk, we,
input [2:0] wa,
input [2:0] raa,
input [2:0] rab,
output [7:0] porta,
output [7:0] portb
);

reg [7:0] mem [7:0];//r0 ~r255

always@(posedge clk)
begin
mem[0]<=0;//r0 always is 0

if(we)
mem[wa]<=datain;
end

assign porta=mem[raa];
assign portb=mem[rab];

endmodule

11>栈：stack

/*
*
* file name : stack.v
* author : Rill
* date : 2013-08-11
*
*/

module stack(
input clk,
input rst,
input wr_en,
input rd_en,
input [10:0] din,
output [10:0] dout
);

(* RAM_STYLE="DISTRIBUTED" *)
reg [3:0] addr;
reg [10:0] ram [15:0];

assign dout = ram[addr] +1;

always@(posedge clk)
begin
if (rst)
addr<=0;
else
begin
if (wr_en==0 && rd_en==1)  //leer
if (addr>0)
addr<=addr-1;
if (wr_en==1 && rd_en==0)  //guardar
if (addr<15)
addr<=addr+1;
end
end

always @(posedge clk)
begin
if (wr_en)
ram[addr] <= din;
end

endmodule

5，modelsim仿真
1>编写testbench
要进行仿真，需要编写对应的testbench，由于咱们这个cpu很简单，所以测试激励也很简单，代码如下：

/*
*
* file name : tiny_soc_tb.v
* atthor : Rill
* date : 2013-08-11
*
*/

`timescale 1ns / 1ps

module tiny_soc_tb;

reg clk;
reg rst;

always #5 clk = ~clk;

initial
begin
#0
clk = 0;
rst = 0;
#15
rst = 1;
#10
rst = 0;

#1000
$stop;
end

soc_top soc_top
(
.clk (clk),
.rst (rst)
);

endmodule

2>编写汇编代码及手动汇编
当然还要编写其汇编代码，如下：

然后我们要手动汇编成机器码，指令集都是自己定义的，所以是没有现成的compiler，只能手动汇编了，还好手动汇编要比手动反汇编轻松多了（之前，我们手动反汇编过OpenRISC的启动代码）。

汇编完成后，我们将机器码放到指令存储器里，如下，共七条指令。

3>仿真结果
完成上面的工作之后，我们就可以用仿真工具进行仿真了，下面是我用modelsim仿真的结果。

从波形可以清晰的看出七条指令的执行过程。在运算完成后拉高write_e信号并将1+2的运算结果3写到了ram地址是55（0x37）的地方。

4>代码仿真覆盖率
由于这个测试汇编代码很短，我们有必要了解一下这个仿真激励运行过程中到底测试了多少代码，下面是code coverage报告截图。

需要说明的是上面的截图并不完整，下面是完整的代码覆盖率报告。

Coverage Report Summary Data by file

File: E:/work/tiny_soc/bench/tiny_soc_tb.v
Enabled Coverage       Active    Hits % Covered
----------------       ------    ---- ---------
Stmts                      11       11    100.0
Branches                   0       0    100.0
Conditions                0       0    100.0
Fec Conditions             0       0    100.0
Expressions                0       0    100.0
Fec Expressions             0       0    100.0

File: E:/work/tiny_soc/rtl/core/alu.v
Enabled Coverage       Active    Hits % Covered
----------------       ------    ---- ---------
Stmts                      20       7    35.0
Branches                   16       3    18.7
Conditions                0       0    100.0
Fec Conditions             0       0    100.0
Expressions                8       2    25.0
Fec Expressions             8       2    25.0

File: E:/work/tiny_soc/rtl/core/alu_mux.v
Enabled Coverage       Active    Hits % Covered
----------------       ------    ---- ---------
Stmts                      1       1    100.0
Branches                   2       1    50.0
Conditions                0       0    100.0
Fec Conditions             0       0    100.0
Expressions                0       0    100.0
Fec Expressions             0       0    100.0

File: E:/work/tiny_soc/rtl/core/control_path.v
Enabled Coverage       Active    Hits % Covered
----------------       ------    ---- ---------
Stmts                   160       48    30.0
Branches                   60       18    30.0
Conditions                3       1    33.3
Fec Conditions             4       2    50.0
Expressions                0       0    100.0
Fec Expressions             0       0    100.0

File: E:/work/tiny_soc/rtl/core/genpc.v
Enabled Coverage       Active    Hits % Covered
----------------       ------    ---- ---------
Stmts                      4       4    100.0
Branches                   6       6    100.0
Conditions                0       0    100.0
Fec Conditions             0       0    100.0
Expressions                0       0    100.0
Fec Expressions             0       0    100.0

File: E:/work/tiny_soc/rtl/core/regfile.v
Enabled Coverage       Active    Hits % Covered
----------------       ------    ---- ---------
Stmts                      4       4    100.0
Branches                   2       2    100.0
Conditions                0       0    100.0
Fec Conditions             0       0    100.0
Expressions                0       0    100.0
Fec Expressions             0       0    100.0

File: E:/work/tiny_soc/rtl/core/regfile_mux.v
Enabled Coverage       Active    Hits % Covered
----------------       ------    ---- ---------
Stmts                      1       1    100.0
Branches                   4       4    100.0
Conditions                0       0    100.0
Fec Conditions             0       0    100.0
Expressions                0       0    100.0
Fec Expressions             0       0    100.0

File: E:/work/tiny_soc/rtl/core/stack.v
Enabled Coverage       Active    Hits % Covered
----------------       ------    ---- ---------
Stmts                      7       4    57.1
Branches                   12       5    41.6
Conditions                6       2    33.3
Fec Conditions             8       2    25.0
Expressions                0       0    100.0
Fec Expressions             0       0    100.0

File: E:/work/tiny_soc/rtl/insn_rom.v
Enabled Coverage       Active    Hits % Covered
----------------       ------    ---- ---------
Stmts                      9       9    100.0
Branches                   2       2    100.0
Conditions                0       0    100.0
Fec Conditions             0       0    100.0
Expressions                0       0    100.0
Fec Expressions             0       0    100.0

File: E:/work/tiny_soc/rtl/ram.v
Enabled Coverage       Active    Hits % Covered
----------------       ------    ---- ---------
Stmts                      9       8    88.8
Branches                   6       5    83.3
Conditions                0       0    100.0
Fec Conditions             0       0    100.0
Expressions                0       0    100.0
Fec Expressions             0       0    100.0

6，综合
完成了仿真之后，我们就可以综合一下，在FPGA上验证了，下面是我用quartusII 12.0综合的结果。

soc_top模块：

core模块：

data_path模块：

7，改进及优化
咱们设计现在这个小cpu core的目的是为了学习，在于了解cpu内部的运行机制，与软件的交互过程，没有考虑性能，功耗，面积等问题。

下面，我给出了采用五级流水的数据通路的模块划分和接口定义，如下所示，感兴趣的兄弟可以试着实现她。

8，future work
1，pipeline，将core流水化

2，增加乘法，除法指令。咱们前面介绍过4-bit乘法器和除法器的设计：http://blog.csdn.net/rill_zhen/article/details/9700155

3，fix bug

4，设计tiny_core的assembler，这样就不用手动汇编了。

9，小结
本小节，我们试着设计了一个简单的cpu，并编写了可综合的外部基本模块和不可综合的测试激励模块，然后用quartusII进行了综合，最后还给出了优化后的数据通路结构。

我想，通过本小节的内容，应该对cpu的工作机制和软件与硬件的关系有了更深入的感觉了。

需要说明的是，我的水平有限，再加上时间很短（两周），所以这里面肯定还有很多问题，和需要改进的地方，如果感兴趣，可以把代码down下来，先用modelsim仿真一下，然后再写个I/O controller，比如uart的控制器，挂到数据总线上，如果PC机能收到tiny_soc发出的“hello world”，那是多么令人激动的一件事情啊。

附录：tiny_core的指令集
说明：

rrr：代表寄存器。

aaa和bbb分别代表寄存器A和寄存器B，其中寄存器A是目的寄存器。

iiiiiiii：代表8-bit的立即数。

xxx：代表忽略。

ttt:11 bit的跳转/分支地址。

此外，这个指令集其实很早就开始弄了，最早是去年上半年开始的，现在是最新版本。

NingW · 发表于 2020-5-15 14:50

简单cpu的设计，实现，仿真与综合

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