利用Verilog HDL设计顶层电路模型，把前面实验设计的ALU、寄存器堆和存储器进行连接，搭建支持下表所示6条LA32R指令功能的数据通路。整个电路结构自行设计。要求在Vivado环境下，完成仿真测试。 指令 功能 说明 add.w rd,rj,rk GR[rd]⟵GR[rj]+GR[rk] 加法 slt rd,rj,rk if (GR[rj]<GR[rk]) GR[rd]⟵1 else GR[rd]⟵0 带符号数的大小比较 sltu rd,rj,rk if (GR[rj]<GR[rk]) GR[rd]⟵1 else GR[rd]⟵0 无符号数的大小比较 lu12i.w rd,si20 GR[rd] ⟵si20 || 12’b0 GR[rd]的高20位为si20，低12位为0 st.w rd,rj,si12 Addr⟵GR[rj] + Signextend(si12) , M[Addr]⟵GR[rd] 把GR[rd]的值存入内存Addr单元， ld.w rd,rj,si12 Addr⟵GR[rj] + Signextend(si12) , GR[rd] ⟵M[Addr] 从内存Addr单元取数，存入R[rd]

以下是一个设计6条指令的数据通路的Verilog HDL代码，包括ALU、寄存器堆和存储器：

module LA32R(
    input wire clk,
    input wire rst,
    input wire [4:0] opcode,
    input wire [4:0] rd,
    input wire [4:0] rj,
    input wire [4:0] rk,
    input wire [31:0] si20,
    input wire [11:0] si12,
    input wire [31:0] data_in,
    output reg [31:0] data_out,
    output reg mem_wr
);

// 定义寄存器堆
reg [31:0] GR [0:15];

// 定义存储器
reg [31:0] M [0:4095];

// 定义ALU控制信号
reg [1:0] alu_ctrl;

// 定义地址计算器
reg [31:0] addr;

// 定义符号扩展器
reg [31:0] sign_ext;

// 定义ALU输入和输出
reg [31:0] alu_in1;
reg [31:0] alu_in2;
reg [31:0] alu_out;

// 定义寄存器读写控制信号
reg [1:0] reg_ctrl;

// 定义操作数选择信号
reg op_sel;

// 定义指令类型
reg is_load;
reg is_store;

// 初始化
initial begin
    for (int i = 0; i < 16; i = i + 1) begin
        GR[i] = 0;
    end
    for (int i = 0; i < 4096; i = i + 1) begin
        M[i] = 0;
    end
end

// ALU模块
always @(*) begin
    case (opcode)
        5'b00000: alu_ctrl = 2'b00; // add.w
        5'b00101: alu_ctrl = 2'b10; // slt
        5'b00110: alu_ctrl = 2'b11; // sltu
        default: alu_ctrl = 2'b00; // add.w
    endcase

    case (alu_ctrl)
        2'b00: alu_out = alu_in1 + alu_in2;
        2'b10: alu_out = (alu_in1 < alu_in2) ? 32'h00000001 : 32'h00000000;
        2'b11: alu_out = ($unsigned(alu_in1) < $unsigned(alu_in2)) ? 32'h00000001 : 32'h00000000;
        default: alu_out = alu_in1 + alu_in2;
    endcase
end

// 寄存器堆模块
always @(*) begin
    case (opcode)
        5'b00001: reg_ctrl = 2'b01; // lu12i.w
        default: reg_ctrl = 2'b00; // read/write
    endcase

    if (reg_ctrl == 2'b01) begin
        GR[rd] = {si20, 12'b0};
    end else begin
        if (op_sel) begin
            alu_in2 = GR[rk];
        end else begin
            alu_in2 = sign_ext;
        end

        alu_in1 = GR[rj];

        if (reg_ctrl == 2'b10) begin
            GR[rd] = alu_out;
        end else begin
            sign_ext = {16{GR[rj][15]}}, sign_ext[15:0] = GR[rj][15:0];
            op_sel = (opcode == 5'b00000);
        end
    end
end

// 存储器模块
always @(*) begin
    is_load = (opcode == 5'b01000);
    is_store = (opcode == 5'b01001);

    if (is_load) begin
        addr = GR[rj] + sign_ext + {20'b0, 2'b0};
        data_out = M[addr];
    end else if (is_store) begin
        addr = GR[rj] + sign_ext + {20'b0, 2'b0};
        M[addr] = GR[rd];
        mem_wr = 1;
    end else begin
        mem_wr = 0;
    end
end

endmodule

在以上代码中，我们定义了一个名为LA32R的模块，它包含了ALU、寄存器堆和存储器。

在模块中，我们使用了一个case语句来根据不同的指令类型，设置ALU控制信号、寄存器读写控制信号和地址计算器。我们还使用了一个if-else语句来确定操作数的选择方式，以及符号扩展的方式。

最后，我们使用了一个always语句来定义存储器的读写操作，根据指令类型和地址计算器，将数据写入或读取出存储器。同时，我们还定义了一个mem_wr信号，用于指示是否进行存储器的写操作。

在Vivado环境下，我们可以使用仿真工具来测试以上代码的正确性。首先，我们需要在仿真模拟器中设置输入信号，包括opcode、rd、rj、rk、si20、si12和data_in。然后，我们可以运行仿真器，观察data_out和mem_wr信号的输出，验证电路模型的正确性。