MIPS指令的CPU实现：ALU设计

设计CPU的第一步，设计一个简单的逻辑运算单元ALU。
使用Vivado软件编程，利用FPGA开发板NEXYS，同时对Verilog语言也有一定要求。

一、实验内容

1. 如图，ALU接受两个N位的输入，得到N位的输出，通过控制信号F决定运算功能。
   
   
2. 将ALU的输出结构与七段数码管显示模块连接，使用实验配置的NEXYS4开发板。
   结构如下：
   
3. 编写顶层模块top连接上述模块。
4. 仿真，编写约束文件，生成二进制文件，在开发板上验证。

整体难度不大，主要任务就是编写ALU和top，以及约束文件。
但是这学期之前在摸鱼，这个小实验都没认真弄好。。。地基打不好，CPU肯定写不出来啊。

二、RTL级的部分Verilog代码，也是重点部分

ALU.v

真的很简单，方法两种，一种是always逻辑，一种是assign逻辑。

1. always:

module ALU(
input wire [31:0] A,
input wire[31:0] B,
input wire [2:0] OP, // 输入用wire
output reg [31:0] F //输出用寄存器reg
);
always @(*) begin
case(OP)
3'b000: begin F <= A + B; end //这里实际上连进位都没有考虑
3'b001: begin F <= A - B; end
3'b010: begin F <= A & B; end
3'b011: begin F <= A | B; end
3'b100: begin F <= ~A; end
3'b101: begin F <= A<B; end
default:  begin F <= 0; end
endcase
end
endmodule

1. assign:

assign相当于连线，一般是将一个变量的值不间断地赋值给另一个变量，所以赋值的类型应用wire。

module ALU(
input wire [31:0] A,
input wire[31:0] B,
input wire [2:0] OP,
output wire [31:0] F
);
assign F = (OP == 3'b000) ? A + B:
(OP == 3'b001) ? A - B:
(OP == 3'b010) ? A & B:
(OP == 3'b011) ? A | B:
(OP == 3'b100) ? ~A:
(OP == 3'b101) ? A < B:
32'b0;
endmodule

数码管显示模块display.v和seg7.v（实验提供）

1. display.v

module display(
input wire clk,reset,
input wire [31:0]s,
output wire [6:0]seg,
output reg [7:0]ans
);
reg [20:0]count;
reg [4:0]digit;
always@(posedge clk,posedge reset)
if(reset)
count = 0;
else
count = count + 1;

always @(posedge clk)
case(count[20:18])
0:begin
ans = 8'b11111110;
digit = s[3:0];
end
1:begin
ans = 8'b11111101;
digit = s[7:4];
end
2:begin
ans = 8'b11111011;
digit =s[11:8];
end
3:begin
ans = 8'b11110111;
digit = s[15:12];
end
4:begin
ans = 8'b11101111;
digit = s[19:16];
end
5:begin
ans = 8'b11011111;

56c
digit = s[23:20];
end
6:begin
ans = 8'b10111111;
digit =s[27:24];
end
7:begin
ans = 8'b01111111;
digit = s[31:28];
end
endcase

seg7 U4(.din(digit),.dout(seg));
endmodule

1. seg7.v

module seg7(
input wire [3:0]din,
output reg [6:0]dout
);

always@(*)
case(din)
5'h0:dout = 7'b000_0001;
5'h1:dout = 7'b100_1111;
5'h2:dout = 7'b001_0010;
5'h3:dout = 7'b000_0110;
5'h4:dout = 7'b100_1100;
5'h5:dout = 7'b010_0100;
5'h6:dout = 7'b010_0000;
5'h7:dout = 7'b000_1111;
5'h8:dout = 7'b000_0000;
5'h9:dout = 7'b000_0100;
5'ha:dout = 7'b000_1000;
5'hb:dout = 7'b110_0000;
5'hc:dout = 7'b011_0001;
5'hd:dout = 7'b100_0010;
5'he:dout = 7'b011_0000;
5'hf:dout = 7'b011_1000;
default:dout = 7'b111_1111;
endcase

endmodule

top.v

module top(
input wire clk, rst,
output wire[6:0] seg,
output wire[7:0] ans,
input wire [2:0] op,
input wire [7:0] num_1
);
wire [31:0] f; // f从ALU传给display
ALU U1(.A({24'b0,num_1}),.B(32'h1),.OP
56c
(op),.F(f)); // 输入a为8位扩充至32位，b为固定值32'h1

display U2(.clk(clk),.reset(rst),.s(f),.ans(ans),.seg(seg));
endmodule

三、存在的问题

1. 仿真测试中得不到结果，但是下到板子上以后能正常运行
   

仿真的 testbench 文件：

module test();
reg [7:0] num_1;
reg [2:0] op;
wire [6:0]seg;
wire [7:0]ans;
reg clk,rst;

always #25 clk = ~clk;

initial begin
clk = 1;
rst = 0;
num_1 = 8'h 11;
op = 3'b 111;
# 100 op = 3'b 000;
# 100 op = 3'b 001;
# 100 op = 3'b 010;
# 100 op = 3'b 011;
# 100 op = 3'b 100;
# 100 op = 3'b 101;
end

top x(
.clk(clk),
.rst(rst),
.seg(seg),
.ans(ans),
.num_1(num_1),
.op(op)
);

endmodule

程序写入开发板：