单周期CPU设计（一）

单周期CPU的设计。

今天是我第一次在简书上写随笔~，我想把我现在拥有的资源分享给你们，希望对你们有用~

在进行FPGA的设计中，可用NodePad++进行编辑，ISE进行仿真，Quartus II13.0进行下载验证，画框图Visio，画时序图TimeGain，数学公式MathType。

基础知识：《数字系统组成与设计》

关于单周期CPU资料：

首先要理解什么叫单周期CPU（与后面多周期CPU对比）单周期CPU指的是一条指令的执行在一个时钟周期内完成，然后开始下一条指令的执行，即一条指令用一个时钟周期完成。

单周期CPU的功能：能够实现一些指令功能操作。需设计的指令与格式如下：

设计原理

CPU在处理指令时，一般需要经过以下几个步骤：

(1) 取指令(IF)：根据程序计数器PC中的指令地址，从存储器中取出一条指令，同时，PC根据指令字长度自动递增产生下一条指令所需要的指令地址，但遇到“地址转移”指令时，则控制器把“转移地址”送入PC，当然得到的“地址”需要做些变换才送入PC。

(2) 指令译码(ID)：对取指令操作中得到的指令进行分析并译码，确定这条指令需要完成的操作，从而产生相应的操作控制信号，用于驱动执行状态中的各种操作。

(3) 指令执行(EXE)：根据指令译码得到的操作控制信号，具体地执行指令动作，然后转移到结果写回状态。

(4) 存储器访问(MEM)：所有需要访问存储器的操作都将在这个步骤中执行，该步骤给出存储器的数据地址，把数据写入到存储器中数据地址所指定的存储单元或者从存储器中得到数据地址单元中的数据。

(5) 结果写回(WB)：指令执行的结果或者访问存储器中得到的数据写回相应的目的寄存器中。

单周期CPU，是在一个时钟周期内完成这五个阶段的处理。

其中，

op：为操作码；

rs：为第1个源操作数寄存器，寄存器地址（编号）是00000~11111（5位），00~1F；

rt：为第2个源操作数寄存器，或目的操作数寄存器，寄存器地址（同上）；

rd：为目的操作数寄存器，寄存器地址（同上）；

sa：为位移量（shift amt），移位指令用于指定移多少位；

func：为功能码，在寄存器类型指令中（R类型）用来指定指令的功能；

immediate：为16位立即数，用作无符号的逻辑操作数、有符号的算术操作数、数据加载（Load）/数据保存（Store）指令的数据地址字节偏移量和分支指令中相对程序计数器（PC）的有符号偏移量；

address：为地址。

图2是一个简单的基本上能够在单周期上完成所要求设计的指令功能的数据通路和必要的控制线路图。其中指令和数据各存储在不同存储器中，即有指令存储器和数据存储器。访问存储器时，先给出地址，然后由读/写信号控制（1-写，0-读。当然，也可以由时钟信号控制，但必须在图上标出）。对于寄存器组，读操作时，先给出地址，输出端就直接输出相应数据；而在写操作时，在 WE使能信号为1时，在时钟边沿触发写入。

相关部件及引脚说明：

InstructionMemory：指令存储器，

Iaddr，指令存储器地址输入端口

IDataIn，指令存储器数据输入端口（指令代码输入端口）

IDataOut，指令存储器数据输出端口（指令代码输出端口）

RW，指令存储器读写控制信号，为1写，为0读

DataMemory：数据存储器，

Daddr，数据存储器地址输入端口

DataIn，数据存储器数据输入端口

DataOut，数据存储器数据输出端口

RW，数据存储器读写控制信号，为1写，为0读

RegisterFile：（寄存器组）

Read Reg1，rs寄存器地址输入端口

Read Reg2，rt寄存器地址输入端口

Write Reg，将数据写入的寄存器端口，其地址来源rt或rd字段

Write Data，写入寄存器的数据输入端口

Read Data1，rs寄存器数据输出端口

Read Data2，rt寄存器数据输出端口

WE，写使能信号，为1时，在时钟上升沿写入

ALU：

result，ALU运算结果

zero，运算结果标志，结果为0输出1，否则输出0

需要说明的是根据要实现的指令功能要求画出以上数据通路图，和确定ALU的运算功能(当然，以上指令没有完全用到提供的ALU所有功能，但至少必须能实现以上指令功能操作)。从数据通路图上可以看出控制单元部分需要产生各种控制信号，当然，也有些信号必须要传送给控制单元。从指令功能要求和数据通路图的关系得出以上表1，这样，从表1可以看出各控制信号与相应指令之间的相互关系，根据这种关系就可以得出控制信号与指令之间的关系表（如下），再根据关系表可以写出各控制信号的逻辑表达式，这样控制单元部分就可实现了。