硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL設(shè)計(jì)進(jìn)階之：使用函數(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的處理器

4.8  典型實(shí)例8：使用函數(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的處理器

4.8.1  實(shí)例的內(nèi)容及目標(biāo)

1．實(shí)例內(nèi)容

本實(shí)例使用Verilog HDL設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單8位處理器，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)8位操作數(shù)的4種操作。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用了函數(shù)調(diào)用的設(shè)計(jì)方法。

2．實(shí)例目標(biāo)

通過(guò)本實(shí)例，讀者應(yīng)達(dá)到下面的一些目的。

·  掌握使用Verilog函數(shù)設(shè)計(jì)的方法。

·  掌握Verilog設(shè)計(jì)的一般方法。

4.8.2  原理簡(jiǎn)介

處理器發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)變成一個(gè)功能極其強(qiáng)大，設(shè)計(jì)也極為復(fù)雜的單元?，F(xiàn)在一顆小小的CPU的運(yùn)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過(guò)了以前的超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力。雖然處理器處理能力的提高和很多方面的因素有關(guān)，可是處理器最終要完成的目標(biāo)還是早期CPU設(shè)計(jì)時(shí)的那個(gè)目標(biāo)，那就是使用操作碼實(shí)現(xiàn)對(duì)操作數(shù)的控制和計(jì)算。

在本實(shí)例中，實(shí)現(xiàn)的處理器是一個(gè)8位處理器，只實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的4種操作：相加、相減、操作數(shù)減1和操作數(shù)加1。通過(guò)這4種操作向讀者展示如何使用Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)看似復(fù)雜的CPU單元。

當(dāng)然，這個(gè)處理器只是一個(gè)算術(shù)單元，處理器還包括很多其他的功能，在此不進(jìn)行介紹，感興趣的讀者可以查閱相關(guān)的書(shū)籍，按照本實(shí)例提供的設(shè)計(jì)方向補(bǔ)充和完善這個(gè)處理器。

4.8.3  代碼分析 

下面給出這個(gè)處理器的Verilog源代碼，讀者可以將此處理器模塊實(shí)例化至自己的工程設(shè)計(jì)中。

module mpc(instr,out);
          //端口說(shuō)明
          input［17:0］ instr;               //輸入指令
          output［8:0］ out;           //輸出結(jié)果
          //內(nèi)部信號(hào)說(shuō)明
          reg［8:0］ out;
          reg func;                     //指令中提取出的操作碼的內(nèi)部變量
          reg［7:0］ op1,op2;        //從指令中提取的兩個(gè)操作數(shù)
          //函數(shù)聲明
          function［16:0］ code_add;  //函數(shù)的定義，返回一個(gè)17位的指令
            input［17:0］ instr;       //函數(shù)的輸入，采用與模塊輸入同樣的命名，可不同
            //函數(shù)內(nèi)部信號(hào)說(shuō)明
            reg add_func;             //函數(shù)內(nèi)部的操作碼變量
            reg［2:0］ code;          //操作碼
            reg［7:0］ opr1,opr2；    //兩個(gè)操作數(shù)
           
            begin
                 code=instr［17:16］; //輸入指令instr的高2位為操作碼code
                 opr1=instr［7:0］;   //輸入指令instr的低8位為操作數(shù)opr1
                 //通過(guò)case語(yǔ)句判斷操作碼的類型，獲得操作數(shù)opr2
                 case(code)
                       2'b00: begin
                             add_func=1;
                             opr2=instr［15:8］; //從instr中取第二個(gè)操作數(shù)
                             end
                       2'b01: begin
                             add_func=0;
                             opr2=instr［15:8］; //從instr中取第二個(gè)操作數(shù)
                             end
                       2'b10: begin
                             add_func=1;
                             opr2=8'd1;           //第二個(gè)操作數(shù)取為1，實(shí)現(xiàn)+1操作
                             end
                       2'b11: begin
                             add_func=0;
                             opr2=8'd1;           //實(shí)現(xiàn)-1操作
                             end
                       endcase
                       code_add={add_func,opr2,opr1}; //函數(shù)的返回值
            end
            endfunction
            //函數(shù)調(diào)用模塊
            always @(instr) begin
              {func,op2,op1}=code_add(instr);   //調(diào)用函數(shù)
              if(func==1)
                      out=op1+op2;                  //實(shí)現(xiàn)兩數(shù)相加或操作數(shù)1加1操作
              else
                      out=op1-op2;                  //實(shí)現(xiàn)兩數(shù)相減或操作數(shù)1減1操作
              end
endmodule