用verilog语言设计一个CPU

设计一个完整的CPU需要考虑很多因素，比如指令集架构、寄存器设计、流水线结构等等，这里提供一个简单的8位CPU的设计示例。

CPU指令集架构：

| 操作码（3位） | 目的寄存器（2位） | 源寄存器1（2位） | 源寄存器2（2位） |
| -------------- | ------------------ | ------------------ | ------------------ |
| 000 | 加法 | 寄存器1 | 寄存器2 |
| 001 | 减法 | 寄存器1 | 寄存器2 |
| 010 | 移位左 | 寄存器1 | - |
| 011 | 移位右 | 寄存器1 | - |
| 100 | 跳转 | 寄存器1 | - |
| 101 | 加载 | 寄存器1 | - |
| 110 | 存储 | 寄存器1 | - |
| 111 | 停机 | - | - |

CPU寄存器：

一个8位CPU需要至少8个寄存器，这里我们定义8个8位通用寄存器和一个8位状态寄存器。

CPU流水线结构：

这里我们采用经典的5级流水线结构，分别为取指、译码、执行、访存和写回。

接下来是CPU的verilog代码实现：

module cpu(clk, reset, in, out);
    input clk, reset;
    input [7:0] in;
    output [7:0] out;
    
    wire [2:0] opcode;
    wire [1:0] dst_reg, src_reg1, src_reg2;
    wire [7:0] alu_out, mem_out;
    wire zero_flag, carry_flag;
    
    reg [7:0] pc, ir;
    reg [7:0] reg_file [7:0];
    reg [1:0] stage;
    
    // 取指阶段
    always @(posedge clk) begin
        if (reset) begin
            stage <= 0;
            pc <= 0;
        end else begin
            case (stage)
                0: begin // 取指
                    ir <= in;
                    pc <= pc + 1;
                    stage <= 1;
                end
                1: begin // 译码
                    opcode <= ir[7:5];
                    dst_reg <= ir[4:3];
                    src_reg1 <= ir[2:1];
                    src_reg2 <= ir[0];
                    stage <= 2;
                end
                2: begin // 执行
                    case (opcode)
                        3'b000: begin // 加法
                            alu_out <= reg_file[src_reg1] + reg_file[src_reg2];
                            carry_flag <= (alu_out[8] == 1);
                            zero_flag <= (alu_out == 0);
                        end
                        3'b001: begin // 减法
                            alu_out <= reg_file[src_reg1] - reg_file[src_reg2];
                            carry_flag <= (alu_out[8] == 1);
                            zero_flag <= (alu_out == 0);
                        end
                        3'b010: begin // 移位左
                            alu_out <= reg_file[src_reg1] << 1;
                            carry_flag <= (reg_file[src_reg1][7] == 1);
                            zero_flag <= (alu_out == 0);
                        end
                        3'b011: begin // 移位右
                            alu_out <= reg_file[src_reg1] >> 1;
                            carry_flag <= (reg_file[src_reg1][0] == 1);
                            zero_flag <= (alu_out == 0);
                        end
                        3'b100: begin // 跳转
                            pc <= reg_file[src_reg1];
                            stage <= 0;
                        end
                        3'b101: begin // 加载
                            alu_out <= reg_file[src_reg1] + in;
                            carry_flag <= (alu_out[8] == 1);
                            zero_flag <= (alu_out == 0);
                        end
                        3'b110: begin // 存储
                            mem_out <= reg_file[src_reg1];
                            stage <= 3;
                        end
                        3'b111: begin // 停机
                            stage <= 0;
                        end
                    endcase
                    stage <= 3;
                end
                3: begin // 访存
                    if (opcode == 6'b110000) begin // 存储
                        reg_file[src_reg1] <= mem_out;
                    end else begin // 加载
                        reg_file[dst_reg] <= mem_out;
                    end
                    stage <= 4;
                end
                4: begin // 写回
                    if (opcode != 6'b110000) begin // 不是存储指令
                        reg_file[dst_reg] <= alu_out;
                    end
                    stage <= 0;
                end
            endcase
        end
    end
    
    assign out = reg_file[7];
    
endmodule

这个CPU只支持8位操作，只有8个寄存器，指令集也非常简单，但它可以作为学习CPU设计的一个好的起点。