Verilog 精简指令集计算机
计算机组成与设计：硬件软件接口
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
பைடு நூலகம்
思维导图
本书关键字分析思维导图
系统
设备
组成
设计
进行
实现
软件
设计
硬件
计算机 硬件
输出
接口
内存
输入
控制
逻辑
介绍
处理器
内容摘要
内容摘要
《计算机组成与设计：硬件软件接口》内容摘要 《计算机组成与设计：硬件软件接口》是一本全面介绍计算机系统设计和实现的经典教材。本书 以硬件软件接口为视角，详细解析了计算机系统的各个组成部分，包括中央处理器、内存、输入 输出、控制逻辑等，同时也深入阐述了计算机系统中软硬件的交互方式。 本书对计算机系统的基本构成进行了阐述。计算机系统由硬件和软件两个部分组成，硬件是计算 机的物理实体，包括中央处理器、内存、输入输出设备等；软件则是运行在计算机上的程序和数 据。硬件和软件的交互通过接口实现，这些接口定义了硬件设备和软件程序之间的通信方式。 本书详细介绍了中央处理器的设计和实现。中央处理器是计算机系统的核心，负责执行指令和处 理数据。书中分析了不同指令集体系结构的特点，如复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计 算机（RISC）
第四部分“并行处理”扩展了计算机体系结构的视野，介绍了多处理器系统、 并行计算等内容。第五部分“高级话题”则涵盖了一些前沿和深入的议题，如量 子计算、生物计算等。
在每个部分中，都包含了一系列详细而深入的章节。例如，在“处理器体系 结构”部分，不仅有关于指令集体系结构的介绍，还有关于处理器优化的技术细 节，如分支预测、指令级并行等。这种组织方式使得读者可以根据自己的兴趣和 需求选择深入学习的方向。
verilog简单乘法器
verilog简单乘法器Verilog简单乘法器Verilog是一种硬件描述语言，用于描述数字系统的行为。
在数字电路设计中，乘法器是一个常见的电路组件，它用于执行乘法运算。
本文将介绍一个简单的Verilog乘法器的设计与实现。
乘法器是一种数字电路，用于计算两个数的乘积。
它接收两个输入数，将它们相乘得到一个输出。
在本文中，我们将实现一个4位乘法器，即输入和输出都是4位的二进制数。
我们需要定义输入和输出端口。
在Verilog中，我们可以使用“input”和“output”关键字来声明端口。
对于4位乘法器，我们可以声明两个4位的输入端口A和B，以及一个8位的输出端口P。
module simple_multiplier(input [3:0] A,input [3:0] B,output [7:0] P);接下来，我们需要实现乘法器的功能。
乘法器的实现可以通过多次执行加法运算来实现。
具体地，我们可以将输入的两个4位数逐位相乘，然后将得到的部分乘积相加得到最终的乘积。
在Verilog中，我们可以使用“assign”关键字来执行赋值操作。
我们可以定义一些临时变量，用于存储部分乘积和最终乘积的结果。
然后，通过多次执行加法运算，将部分乘积相加得到最终乘积。
下面是一个实现4位乘法器的简单示例代码：reg [7:0] temp;reg [7:0] result;always @(*) begintemp = A[0] * B;result = temp;temp = A[1] * B;result = result + (temp << 1);temp = A[2] * B;result = result + (temp << 2);temp = A[3] * B;result = result + (temp << 3);endassign P = result;在上述代码中，我们使用了一个“always”块来执行乘法器的功能。
MIPS架构多周期CPU的设计
MIPS架构多周期CPU的设计蔡晓燕;袁春风;张泽生【摘要】针对教育部最新提出的计算机专业系统结构课程设置要求，分析利用VerilogHDL代码完成多周期CPU设计的具体过程和方案，以南京大学计算机科学与技术系为例，总结将其应用在教学上的效果。
提出在计算机专业本科教学阶段可进行计算机组成与设计相关实践课程教学的观点。
【期刊名称】《计算机教育》【年(卷),期】2014(000)017【总页数】4页(P93-96)【关键词】MIPS架构;多周期;数据通路;状态图【作者】蔡晓燕;袁春风;张泽生【作者单位】南京大学计算机科学与技术系江苏南京 210046;南京大学计算机科学与技术系江苏南京 210046;南京大学计算机科学与技术系江苏南京210046【正文语种】中文【中图分类】G642近年来，教育部计算机专业教学指导委员会组织了对该专业学生能力培养和实践教学体系的研究。
研究指出，教学必须树立系统观，培养学生的系统眼光。
使学生学会在不同层面把握不同层次的系统，并全面考虑系统各部分与外界的逻辑与联系，能够完成一定规模的系统设计[1]。
研究还指出，有了计算机系统基础和计算机组成与设计课程的基础，学生将更容易从计算机系统整体角度理解操作系统、编译原理等后续课程[1]。
研究确定以MIPS为模型机进行讲解，讲透原理，强化实践。
MIPS架构的微处理器是最简单的体系结构之一，作为一种开放的架构，用户可自行开发MIPS内核，并在其中添加指令。
MIPS架构被国际上许多著名大学用于计算机系统结构的本科生和研究生教学。
CPU结构由其所能够执行的指令决定，MIPS 32位架构是一种采用RISC（精简指令集）的处理器架构，它指令长度固定，采用load/store数据模型，算术和逻辑运算采用三目操作数的形式，带有32个通用寄存器[2-3]。
自2007年起开始，南京大学计算机科学与技术系开始探索用Verilog HDL代码实现MIPS架构多周期CPU设计。
verilog 综合指令
verilog 综合指令Verilog 综合指令是一种用于将 Verilog 代码转换为硬件电路的指令集。
它可以将 Verilog 代码转换为门级电路，从而实现在 FPGA 或 ASIC中实现硬件电路的功能。
Verilog 综合指令是硬件设计中非常重要的一部分，因为它可以帮助设计人员将设计从概念转化为实际的硬件电路。
Verilog 综合指令的主要作用是将 Verilog 代码转换为门级电路。
这个过程包括将 Verilog 代码转换为逻辑门、寄存器、时钟等基本电路元件，并将它们组合在一起以实现所需的功能。
在这个过程中，综合工具还会进行优化，以确保生成的电路具有最小的延迟和最小的面积。
Verilog 综合指令的使用非常简单。
首先，设计人员需要编写 Verilog 代码，描述所需的电路功能。
然后，他们需要使用综合工具将代码转换为门级电路。
最后，他们需要将生成的电路映射到目标设备上，例如 FPGA 或 ASIC。
在使用 Verilog 综合指令时，设计人员需要注意以下几点：1. Verilog 代码应该是可综合的。
这意味着代码应该只包含硬件描述语言中允许的元素，例如逻辑门、寄存器、时钟等。
代码中不应该包含任何与硬件无关的元素，例如文件操作、输入输出等。
2. 综合工具的设置应该正确。
设计人员需要根据目标设备的要求设置综合工具的选项，例如时钟频率、面积限制等。
3. 综合结果应该进行验证。
设计人员需要对生成的门级电路进行验证，以确保它们实现了所需的功能，并且满足时序和面积要求。
总之，Verilog 综合指令是硬件设计中非常重要的一部分。
它可以帮助设计人员将设计从概念转化为实际的硬件电路，并且可以进行优化以确保生成的电路具有最小的延迟和最小的面积。
在使用 Verilog 综合指令时，设计人员需要注意代码的可综合性、综合工具的设置和综合结果的验证。
CPU：RISC与CISC
CPU : RISC与CISCRISC(精简指令集计算机)和CISC(复杂指令集计算机)是当前CPU的两种架构。
它们的区别在于不同的CPU设计理念和方法。
早期的CPU全部是CISC架构，它的设计目的是要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务。
比如对于乘法运算，在CISC架构的CPU上，您可能需要这样一条指令：MUL ADDRA, ADDRB就可以将ADDRA和ADDRB中的数相乘并将结果储存在ADDRA中。
将ADDRA, ADDRB中的数据读入寄存器，相乘和将结果写回内存的操作全部依赖于CPU中设计的逻辑来实现。
这种架构会增加CPU结构的复杂性和对CPU工艺的要求，但对于编译器的开发十分有利。
比如上面的例子，C程序中的a*=b就可以直接编译为一条乘法指令。
今天只有Intel及其兼容CPU还在使用CISC架构。
RISC架构要求软件来指定各个操作步骤。
上面的例子如果要在RISC架构上实现，将ADDRA, ADDRB中的数据读入寄存器，相乘和将结果写回内存的操作都必须由软件来实现，比如：MOV A, ADDRA; MOV B, ADDRB; MUL A, B; STR ADDRA, A。
这种架构可以降低CPU的复杂性以及允许在同样的工艺水平下生产出功能更强大的CPU，但对于编译器的设计有更高的要求。
和CPU指令架构有关系, 主要架构有X86, ARM, MIPS, DSPARM DSP X86 POWERPC MIPS FPGA简介ARM：RISC(哈系),基于Load/Store的内存访问方式，长度固定的指令，流水线结构（RISC指令都是固定长度的，这也导致指令编码中会有较多的浪费，使得程序空间变大）。
基于ARM 技术的微处理器应用约占据了32 位RISC 微处理器75 ％以上的市场份额，具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面。
其可以做的功耗很低，很精简，因此适合没有固定电源，使用电池供电的移动设备。
基于FPGA的CPU设计
基于FPGA的CPU设计FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种集成电路，可以重新配置其数字电路开关来执行不同的任务。
在FPGA 上设计CPU（中央处理器）可以提供灵活性和性能优势。
本文将介绍基于FPGA的CPU设计，并讨论其应用和优点。
基于FPGA的CPU设计的主要目标是实现一个可编程的、高性能的处理器。
设计一个CPU需要考虑多个因素，包括指令集架构、流水线设计、内存架构等。
在FPGA上设计CPU可以通过硬件定义语言（HDL）如VHDL 或Verilog来实现。
首先，需要确定CPU的指令集架构。
指令集架构定义了处理器所支持的指令和寻址模式。
常见的指令集架构有RISC（精简指令集计算机）和CISC（复杂指令集计算机）。
在设计基于FPGA的CPU时，通常选择RISC 架构，因为它有简单的指令集和流水线设计，适合在FPGA上实现。
接下来，需要设计CPU的流水线结构。
流水线是指将指令的执行过程划分为多个阶段，并行处理不同的指令。
常见的流水线阶段包括取指、译码、执行、存储和写回。
在FPGA上设计流水线需要考虑时钟频率、延迟和资源约束。
通过合理的流水线设计可以提高CPU的吞吐量和性能。
另一个重要的设计考虑因素是内存架构。
内存是CPU用来存储指令和数据的地方。
在FPGA上设计CPU时，可以使用各种类型的内存，包括寄存器、缓存和外部存储器。
选择合适的内存架构可以提高CPU的效率和性能。
此外，基于FPGA的CPU设计还可以提供高性能。
由于FPGA的并行计算能力，可以实现多个运算单元和流水线来同时执行指令，从而提高CPU的性能。
此外，FPGA上的CPU还可以与其他外部设备（如硬件加速器）集成，以提供更高的计算能力和灵活性。
基于FPGA的CPU设计在嵌入式系统、高性能计算和通信设备等多个领域具有广泛的应用。
在嵌入式系统中，FPGA上的CPU可以用于控制和处理实时数据，如机器人和工业自动化。
基于VerilogHDL简单CPU设计
基于VerilogHDL的简单CPU设计摘要：本文实现了一个基于veriloghdl的简单cpu，系统由运算器、控制器、译码器、存储器、指令计数器五大模块构成。
在对各个模块时序仿真实验的基础上，系统整体功能测试成功。
系统具有良好的稳定性和灵活性，指令集易扩展。
关键词：veriloghdl；cpu；时序仿真中图分类号：tp3341 引言veriloghdl【1】是一种硬件描述语言（hdl：hardwarediscriptionlanguage），是一种以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。
由于verilog接近c语言的语言规则，适合进行fpga的开发和教学工作，得到了广泛的应用。
本文基于对cpu的研究，设计并实现了一个基于verilog的简单cpu，并成功进行了仿真实验。
2 cpu的功能和结构2.1 cpu的功能本cpu模型由五大部分组成，分别是运算器、控制器、译码器、存储器、指令计数器。
实现了一个简单指令集，包括停机指令，加，减，与，加载，存储等指令。
同时能进行数据的存储和管理【2】。
2.2 cpu的结构图2.2.1 cpu的架构图cpu的整体结构如上面两个图所示，各个模块协调工作，共同完成cpu的每一次任务。
指令格式为“op+0+opd1+opd2”其中op为3位操作码，0为固定位（或者说是没用的一位），opd1，opd2为6位操作数的地址（之前已经写入内存）。
寻址方式固定为立即数寻址。
3 cpu主要模块的实现3.1 运算器模块alu算术逻辑运算单元alu。
根据输入的6种不同操作码分别实现相应的加、减、与、加载，存储，停机等6种基本操作运算。
利用这几种基本运算可以实现很多种其它运算以及逻辑判断等操作：（1）hlt停机操作。
该操作将空一个指令周期，即6个时钟周期；（2）add相加。
该操作将取存储器中的两个数据相加；（3）and相与。
verilog 文件语句
verilog 文件语句1. Verilog文件语句就像建筑蓝图，定义着数字电路的每一个细节。
比如说，“module my_module(input clk, output reg data);”就像是在告诉建筑师，这个建筑有个名为“clk”的入口，还有个名为“data”的可控制输出呢。
哇塞，这感觉就像是在指挥一场精密的数字交响乐！2. 你知道吗？Verilog文件语句有时候就像神秘的魔法咒语。
像“always @(posedge clk)”这句，就仿佛在说“只要时钟上升沿这个魔法时刻到来”，然后后面跟着的语句就像是魔法效果一样神奇地发生了。
我和我的小伙伴们每次看到这种语句，都像是发现了新大陆一样兴奋。
3. Verilog文件语句可不是什么晦涩难懂的天书。
它就像我们生活中的菜谱，每个语句都是一道做菜的步骤。
就拿“assign sum = a + b;”来说，这就好比菜谱上写着“把a和b混合起来得到sum”，简单直接，一点也不复杂，对吧？4. 我觉得Verilog文件语句就像是一群小士兵的指令集。
“if (condition) be gin...end”就像是在对小士兵们说，如果满足某个条件，那就执行里面的任务。
有一次我给我的小徒弟解释这个，他眼睛一下子就亮了，就像发现了宝藏一样。
5. Verilog文件语句中的“case (select) endcase”可有意思了。
这就像是一个魔法盒子，根据你放入的“select”这个钥匙，会有不同的结果出现。
比如“case (opcode) 2'b00: instruction = ADD; 2'b01: instruction = SUB; endcase”，就像是根据不同的密码打开不同的宝藏一样刺激。
6. 嘿，你瞧这Verilog文件语句里的“for (i = 0; i < n; i = i + 1)”，它就像一个勤劳的小蚂蚁，一步一步地按照设定好的路线走。
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时钟发生器
clk
clk1
clk2 clk4
fetch alu_clk
时钟发生器clkgen的波形
REL视图
时钟发生器代码
module clk_gen (clk,reset,clk1,clk2,clk4,fetch,alu_clk); input clk,reset; output clk1,clk2,clk4,fetch,alu_clk; wire clk,reset; reg clk2,clk4,fetch,alu_clk; reg[7:0] state; parameter S1 = 8'b00000001, S2 = 8'b00000010, S3 = 8'b00000100, S4 = 8'b00001000, S5 = 8'b00010000, S6 = 8'b00100000, S7 = 8'b01000000, S8 = 8'b10000000, idle = 8'b00000000; assign clk1 = ~clk; always @(negedge clk) if(reset) begin clk2 <= 0; clk4 <= 1; fetch <= 0; alu_clk <= 0; state <= idle;
RISC CPU结构
RISC_CPU是一个复杂的数字逻辑电路，但是它的基本部件的逻辑并不复 杂。可把它分成八个基本部件： 1) 时钟发生器 2) 指令寄存器 3) 累加器 4) RISC CPU算术逻辑运算单元 5) 数据控制器 6) 状态控制器 7) 程序计数器 8) 地址多路器 9）存储器（RAM,ROM)
主要特征：
8位数据、13位地址、8条指令，每条指令8Tclk
指令格式：
D15---D13 D12---------------------------D0
操作码 地址码
1) HLT停机操作。该操作将空一个指令周期，即8个时钟周期。 2) SKZ为零跳过下一条语句。该操作先判断当前alu中的结果是否为零，若是零就跳过下一条语 句，否则继续执行。 3) ADD相加。该操作将累加器中的值与地址所指的存储器或端口的数据相加，结果仍送回累加 器中。 4) AND相与。该操作将累加器的值与地址所指的存储器或端口的数据相与，结果仍送回累加器 中。 5) XOR异或。该操作将累加器的值与指令中给出地址的数据异或，结果仍送回累加器中。 6) LDA读数据。该操作将指令中给出地址的数据放入累加器。 7) STO写数据。该操作将累加器的数据放入指令中给出的地址。 8) JMP无条件跳转语句。该操作将跳转至指令给出的目的地址，继续执行。 RISC_CPU是8位微处理器，一律采用直接寻址方式，即数据总是放在存储器中，寻址单元的 地址由指令直接给出。这是最简单的寻址方式。
LOAD_ACC RD\I WR\I LOAD_IR HALT\I
DATA_ENA
In<7..0>
DATA<7..0>\I
IR_ADDR<2..0>
fetch ir_addr<12..0> pc_addr<12..0>
addr<12..0> adr
ADDR<12..0>
PC_ADDR<12..0> ir_addr<12..0> load clock rst pc_addr<12..0>
时钟发生器
CLKGEN
CLK CLK RESET RESET CLK1 ALU_CLK FETCH
CLK1
ALU_CLK
FETCH
时钟发生器 clkgen 利用外来时钟信号clk 来生成一系列时钟信号clk1、fetch、 alu_clk 送往CPU的其他部件。其中fetch 是外来时钟 clk 的八分频信号。利用fetch 的上升沿来触发CPU控制器开始执行一条 指令，同时fetch信号还将控制地址多路 器输出指令地址和数据地址。clk1信号用 作指令寄存器、累加器、状态控制器的 时钟信号。alu_clk 则用于触发算术逻辑 运算单元。
input clk,reset; output zero,rd,wr, halt,inc_pc,rom_sel,ram_sel,load_acc,datactl_ena,alu_clk; output[12:0]ir_addr,addr; output[2:0]opcode; output [7:0]data,accum; wire clk,reset,halt; wire [7:0] data; wire [12:0] addr; wire rd,wr; wire clk1,fetch,alu_clk; wire [2:0] opcode; wire [12:0] ir_addr,pc_addr; wire [7:0] alu_out,accum; wire zero,inc_pc,load_acc,load_pc,load_ir,data_ena,contr_ena; wire [15:0]opc_iraddr; assign opcode=opc_iraddr[15:13]; assign ir_addr=opc_iraddr[12:0];
Verilog HDL
精简指令集计算机
简介
RISC 即精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer ） 的缩写。它是一种八十年代才出现的CPU，与一般的CPU 相比不仅 只是简化了指令系统，而且是通过简化指令系统使计算机的结构更 加简单合理，从而提高了运算速度。从实现的途径看， RISC_CPU与 一般的CPU的不同处在于：它的时序控制信号形成部件是用硬布线 逻辑实现的而不是采用微程序控制的方式。所谓硬布线逻辑也就是 用触发器和逻辑门直接连线所构成的状态机和组合逻辑，故产生控 制序列的速度比用微程序控制方式快得多，因为这样做省去了读取 微指令的时间
DATA<7..0>\I RST\I clk 1fetch clk CLK\I alu_clk clk_gen
data<7..0> ena rst
opc_iraddr<15..0> register
OPCODE<2..> IR_ADDR<12..0>
clk1
ALU_OUT<7..0>
data<7..0>
counter
RISC——CPU中各部件的相互连接关系
RTL 视图
顶层模CPU(zero,clk,reset,halt,rd,wr,ir_addr,addr,data,inc_pc,rom_sel,ram_sel, accum,load_acc,datactl_ena,opcode,alu_clk);
ena rst clk1 accum
accum<7..0>
ACCUM<7..0>
DATA<7..0> ACCUM<7..0> alu_clk ALU_OUT<7..0> zero alu
OPCODE<2..0>
opcode<2..0> ZERO
CLK1 ZERO FETCH RST INC_PC LOAD_ACC LOAD_PC CONTROL WR OPCODE<2..0> LOAD_IR HALT DATACTL_ENA data<7..0> datactl data_ena INC_PC LOAD_PC RD
clk_gen m_clk_gen(.clk(clk), .reset(reset),.clk1(clk1),.clk2(clk2), .clk4(clk4),.fetch(fetch),.alu_clk(alu_clk));
代码
register m_register(.opc_iraddr(opc_iraddr),.data(data) ,.ena(load_ir), .clk1(clk1),.rst(reset)); accum m_accum(.accum(accum),.data(alu_out),.ena(load_acc), .clk1(clk1),.rst(reset)); alu m_alu(.alu_out(alu_out),.zero(zero),.opcode(opcode), .data(data),.accum(accum),.alu_clk(alu_clk)); machinect m_machinect(.ena(ena),.fetch(fetch),.rst(reset)); machine m_machine(.inc_pc(inc_pc), .load_acc(load_acc ), .load_pc(load_pc ), .rd(rd),.wr(wr),.load_ir(load_ir ),.datactl_ena(datactl_ena ),.halt (halt), .clk1 (clk1), .zero (zero), .ena (ena ),.opcode(opcode)); datactl m_datactl(.data(data), .in (alu_out),.data_ena(datactl_ena)); counter m_counter(.pc_addr(pc_addr ),.ir_addr(ir_addr ),.load(load_pc), .clock(inc_pc),.rst(reset));//.op(opc_iraddr[12:0]), adr m_adr(.addr (addr),.fetch (fetch),.ir_addr (ir_addr ),.pc_addr (pc_addr )); addr_decode addr_decode1(addr,rom_sel,ram_sel); ram ram1(.data(data),.addr(addr),.ena(ram_sel),.read(rd),.write(wr)); rom rom1(.data(data),.addr(addr),.read(rd),.ena(rom_sel)); endmodule