单周期cpu实验verliog

单周期CPU实验是数字电路实验教学中的一个重要环节，它可以帮助学生理解计算机的基本原理和组成部分。下面是一个简单的Verilog代码示例，用于实现单周期CPU。

module SingleCycleCPU (
  input clk,
  input rst,
  input [31:0] instr,
  input [31:0] data_in,
  output reg [31:0] data_out
);

// 寄存器声明
reg [31:0] PC;
reg [31:0] regA;
reg [31:0] regB;
reg [31:0] ALU_out;

// 控制信号声明
reg RegDst;
reg ALUSrc;
reg MemtoReg;
reg MemRead;
reg MemWrite;
reg Branch;
reg RegWrite;
reg [1:0] ALUOp;

// 模块声明
ALU alu(.A(regA), .B(regB), .ALUOp(ALUOp), .ALU_out(ALU_out));
Memory mem(.addr(ALU_out), .data_in(data_in), .data_out(data_out), .MemRead(MemRead), .MemWrite(MemWrite));
ControlUnit control_unit(.opcode(instr[31:26]), .RegDst(RegDst), .ALUSrc(ALUSrc), .MemtoReg(MemtoReg), .MemRead(MemRead), .MemWrite(MemWrite), .Branch(Branch), .RegWrite(RegWrite), .ALUOp(ALUOp));

always @(posedge clk or posedge rst) begin
  if (rst) begin
    PC <= 32'h00000000;
    regA <= 32'h00000000;
    regB <= 32'h00000000;
    data_out <= 32'h00000000;
  end
  else begin
    PC <= PC + 4;
    if (Branch & (ALU_out == 0)) begin
      PC <= PC + instr[15:0] << 2;
    end
    if (RegWrite) begin
      if (RegDst) begin
        regB <= instr[15:11];
      end
      else begin
        regB <= instr[20:16];
      end
      regA <= data_out;
    end
    if (ALUSrc) begin
      regB <= instr[15:0];
    end
  end
end

endmodule

在这个代码中，我们定义了一个名为SingleCycleCPU的模块，它有四个输入和一个输出端口。输入端口包括时钟信号clk、复位信号rst、32位指令instr和32位数据data_in。输出端口为32位数据data_out。

模块内部声明了一些寄存器和控制信号，包括PC、regA、regB、ALU_out、RegDst、ALUSrc、MemtoReg、MemRead、MemWrite、Branch、RegWrite和ALUOp。其中，PC、regA、regB和ALU_out是用于存储数据和计算ALU输出的寄存器；RegDst、ALUSrc、MemtoReg、MemRead、MemWrite、Branch、RegWrite和ALUOp是用于控制单周期CPU执行流程的控制信号。

在always块中，我们定义了单周期CPU的执行流程。当rst为1时，所有寄存器被清零。当rst为0时，PC寄存器递增4，指向下一条指令。如果Branch和ALU_out都为1，则PC寄存器指向指令中的偏移地址。如果RegWrite为1，则将data_out写入regA寄存器，同时根据RegDst选择将instr[15:11]或instr[20:16]写入regB寄存器。如果ALUSrc为1，则将instr[15:0]写入regB寄存器。

最后，我们还需要在代码中实例化ALU、Memory和ControlUnit模块，并将它们的输入和输出端口与SingleCycleCPU模块的信号相连。这些模块分别用于计算ALU输出、读写内存和生成控制信号。