verilog设计一个基于risc-Ⅴ的五级流水线cpu,要求满足30条指令,具体到代码

时间: 2024-03-11 08:51:36 浏览: 32
好的,以下是基于risc-Ⅴ的五级流水线cpu的Verilog代码,可以实现30条指令的操作。由于篇幅较长,我将代码拆分成了多个模块,分别实现了取指阶段、译码阶段、执行阶段、访存阶段和写回阶段。 1. 指令存储器模块 ``` module instruction_memory( input [31:0] address, output reg [31:0] instruction ); // 定义指令存储器,存储30条指令 reg [31:0] memory [0:29] = { 32'h00000013, // addi x1, x0, 19 32'h00000093, // addi x3, x0, 0 32'h00000113, // addi x2, x0, 0 32'h000001b3, // addi x3, x3, 1 32'h00c28293, // addi x5, x5, 12 32'h00c20293, // addi x5, x5, -12 32'h00020313, // addi x6, x0, 3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333, // add x6, x6, x3 32'h01030333 // add x6, x6, x3 }; always @* begin instruction = memory[address >> 2]; end endmodule ``` 2. 寄存器堆模块 ``` module register_file( input [4:0] read_register_1, input [4:0] read_register_2, input [4:0] write_register, input [31:0] write_data, input write_enable, output reg [31:0] read_data_1, output reg [31:0] read_data_2 ); // 定义32个32位寄存器 reg [31:0] registers [0:31]; always @* begin read_data_1 = registers[read_register_1]; read_data_2 = registers[read_register_2]; if (write_enable) begin registers[write_register] = write_data; end end endmodule ``` 3. 取指阶段模块 ``` module fetch_stage( input clk, input reset, input [31:0] pc_in, output reg [31:0] pc_out, output reg [31:0] instruction ); // 定义指令存储器 instruction_memory im( .address(pc_in), .instruction(instruction) ); always @(posedge clk) begin if (reset) begin pc_out <= 32'h00000000; end else begin pc_out <= pc_in + 4; end end endmodule ``` 4. 译码阶段模块 ``` module decode_stage( input [31:0] instruction, input [31:0] pc, input [4:0] read_register_1, input [4:0] read_register_2, output [4:0] write_register, output [31:0] write_data, output reg [31:0] immediate, output reg [6:0] opcode, output reg [2:0] funct3, output reg [6:0] funct7, output reg reg_write_enable ); always @* begin opcode = instruction[6:0]; funct3 = instruction[14:12]; funct7 = instruction[31:25]; case (opcode) // addi 7'h13: begin write_register = instruction[11:7]; immediate = {{20{instruction[31]}}, instruction[31:20]}; write_data = immediate + 32'h00000000; reg_write_enable = 1; end // add 7'h33: begin write_register = instruction[11:7]; write_data = read_data_1 + read_data_2; reg_write_enable = 1; end // sub 7'h23: begin write_register = instruction[11:7]; write_data = read_data_1 - read_data_2; reg_write_enable = 1; end // and 7'h13: begin write_register = instruction[11:7]; write_data = read_data_1 & read_data_2; reg_write_enable = 1; end // or 7'h33: begin write_register = instruction[11:7]; write_data = read_data_1 | read_data_2; reg_write_enable = 1; end // xor 7'h13: begin write_register = instruction[11:7]; write_data = read_data_1 ^ read_data_2; reg_write_enable = 1; end // sll 7'h33: begin write_register = instruction[11:7]; write_data = read_data_1 << read_data_2[4:0]; reg_write_enable = 1; end // srl 7'h33: begin write_register = instruction[11:7]; write_data = read_data_1 >> read_data_2[4:0]; reg_write_enable = 1; end // sra 7'h33: begin write_register = instruction[11:7]; write_data = $signed(read_data_1) >>> read_data_2[4:0]; reg_write_enable = 1; end // mul 7'h33: begin write_register = instruction[11:7]; write_data = read_data_1 * read_data_2; reg_write_enable = 1; end // div 7'h33: begin write_register = instruction[11:7]; write_data = read_data_1 / read_data_2; reg_write_enable = 1; end // lb 7'h03: begin write_register = instruction[11:7]; immediate = {{24{instruction[31]}}, instruction[31:20]}; write_data = $signed({immediate, {24{1'b0}}}) + read_data_1; reg_write_enable = 1; end // lh 7'h03: begin write_register = instruction[11:7]; immediate = {{20{instruction[31]}}, instruction[31:20]}; write_data = $signed({immediate, {16{1'b0}}}) + read_data_1; reg_write_enable = 1; end // lw 7'h03: begin write_register = instruction[11:7]; immediate = {{20{instruction[31]}}, instruction[31:20]}; write_data = $signed(immediate) + read_data_1; reg_write_enable = 1; end // sb 7'h23: begin immediate = {{20{instruction[31]}}, instruction[31:25], instruction[11:7]}; write_data = read_data_2[7:0]; reg_write_enable = 0; end // sh 7'h23: begin immediate = {{20{instruction[31]}}, instruction[31:25], instruction[11:7]}; write_data = read_data_2[15:0]; reg_write_enable = 0; end // sw 7'h23: begin immediate = {{20{instruction[31]}}, instruction[31:25], instruction[11:7]}; write_data = read_data_2; reg_write_enable = 0; end // beq 7'h63: begin if (read_data_1 == read_data_2) begin immediate = {{19{instruction[31]}}, instruction[31], instruction[7], instruction[30:25], instruction[11:8], 1'b0}; pc_out = pc + immediate; end reg_write_enable = 0; end // bne 7'h63: begin if (read_data

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