riscv单周期cpu设计verilog的整体模块

时间: 2023-06-23 12:08:45 浏览: 103
以下是一个简单的 RISC-V 单周期 CPU 设计的 Verilog 整体模块: ``` module riscv_cpu( input clk, // 时钟信号 input rst, // 复位信号 input [31:0] instr_in, // 输入指令 output reg [31:0] data_out // 输出数据 ); // 寄存器定义 reg [31:0] pc; // 程序计数器 reg [31:0] reg_file[31:0]; // 32 个通用寄存器 // 控制信号定义 reg reg_write; // 寄存器写使能 reg mem_write; // 存储器写使能 reg mem_read; // 存储器读使能 reg [1:0] alu_op; // ALU 操作码 reg [2:0] reg_dst; // 寄存器目标选择 reg [1:0] mem_size; // 存储器操作大小(字节) reg [6:0] funct7; // 操作函数 7 reg [2:0] funct3; // 操作函数 3 reg [6:0] opcode; // 操作码 // ALU 输入/输出定义 reg [31:0] alu_in1; reg [31:0] alu_in2; wire [31:0] alu_out; // 存储器输入/输出定义 reg [31:0] mem_addr; reg [31:0] mem_data_in; wire [31:0] mem_data_out; // 指令解码 assign opcode = instr_in[6:0]; assign funct3 = instr_in[14:12]; assign funct7 = instr_in[31:25]; // 控制信号生成 always @(*) begin case (opcode) 7'b0110111: begin // U 类指令 reg_write = 1; mem_write = 0; mem_read = 0; alu_op = 2'b00; reg_dst = 3'b000; mem_size = 2'b00; alu_in1 = pc - 4; alu_in2 = {instr_in[31], {31{1'b0}}}; end 7'b0010111: begin // U 类指令 reg_write = 1; mem_write = 0; mem_read = 0; alu_op = 2'b00; reg_dst = 3'b000; mem_size = 2'b00; alu_in1 = pc - 4; alu_in2 = {{19{1'b0}}, instr_in[31:20], {12{1'b0}}}; end 7'b1101111: begin // J 类指令 reg_write = 1; mem_write = 0; mem_read = 0; alu_op = 2'b00; reg_dst = 3'b000; mem_size = 2'b00; alu_in1 = pc - 4; alu_in2 = {{20{instr_in[31]}}, instr_in[19:12], instr_in[20], {7{1'b0}}}; end 7'b1100111: begin // I 类指令 reg_write = 1; mem_write = 0; mem_read = 1; alu_op = 2'b00; reg_dst = 3'b000; mem_size = 2'b10; alu_in1 = reg_file[instr_in[19:15]]; alu_in2 = instr_in[31:20]; mem_addr = alu_out; end 7'b0000011: begin // I 类指令 reg_write = 1; mem_write = 0; mem_read = 1; alu_op = 2'b00; reg_dst = 3'b000; mem_size = funct3; alu_in1 = reg_file[instr_in[19:15]]; alu_in2 = instr_in[31:20]; mem_addr = alu_out; end 7'b0100011: begin // S 类指令 reg_write = 0; mem_write = 1; mem_read = 0; alu_op = 2'b00; reg_dst = 3'b000; mem_size = funct3; alu_in1 = reg_file[instr_in[24:20]]; alu_in2 = instr_in[31:25]; mem_addr = {alu_out[31:2], instr_in[11:7]}; mem_data_in = reg_file[instr_in[19:15]]; end 7'b0010011: begin // I 类指令 reg_write = 1; mem_write = 0; mem_read = 0; alu_op = funct3; reg_dst = 3'b001; mem_size = 2'b00; alu_in1 = reg_file[instr_in[19:15]]; alu_in2 = instr_in[31:20]; end 7'b0110011: begin // R 类指令 reg_write = 1; mem_write = 0; mem_read = 0; reg_dst = 3'b001; mem_size = 2'b00; case (funct3) 3'b000: alu_op = 2'b000; // ADD 3'b001: alu_op = 2'b001; // SLL 3'b010: alu_op = 2'b010; // SLT 3'b011: alu_op = 2'b011; // SLTU 3'b100: alu_op = 2'b100; // XOR 3'b101: begin // SRL 或 SRA if (funct7[5] == 1'b0) alu_op = 2'b101; // SRL else alu_op = 2'b110; // SRA end 3'b110: alu_op = 2'b111; // OR 3'b111: alu_op = 2'b100; // AND endcase alu_in1 = reg_file[instr_in[19:15]]; alu_in2 = reg_file[instr_in[24:20]]; end default: begin reg_write = 0; mem_write = 0; mem_read = 0; alu_op = 2'b00; reg_dst = 3'b000; mem_size = 2'b00; alu_in1 = 0; alu_in2 = 0; end endcase end // ALU 模块实例化 alu alu_inst( .op(alu_op), .in1(alu_in1), .in2(alu_in2), .out(alu_out) ); // 存储器模块实例化 mem mem_inst( .clk(clk), .we(mem_write), .re(mem_read), .addr(mem_addr), .data_in(mem_data_in), .data_out(mem_data_out), .size(mem_size) ); // 寄存器模块实例化 regfile regfile_inst( .clk(clk), .we(reg_write), .addr1(instr_in[19:15]), .addr2(instr_in[24:20]), .data1(alu_out), .data2(mem_data_out), .dst(reg_dst), .data_out(data_out), .reg_file(reg_file) ); // 程序计数器更新 always @(posedge clk) begin if (rst) pc <= 32'h0; else if (mem_read && (mem_addr == pc)) pc <= mem_data_out; else pc <= pc + 4; end endmodule ``` 上述代码包含了 ALU、存储器和寄存器模块的实例化,并且通过控制信号生成模块产生控制信号,对这些模块进行控制。在时钟信号的驱动下,程序计数器将被更新,从而实现 CPU 的单周期运行。

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