Programming
FPGA
DIY
Electronics for beginners
10 May 2018

Проектирование процессора Verilog

Tutorial

Часть I
Часть II
Часть III
Часть IV
Часть V

Спроектируем Little Man Computer на языке Verilog.

Статья про LMC была на Хабре.

Online симулятор этого компьютера здесь.

Напишем модуль оперативной памяти RAM/ОЗУ, состоящий из четырех (N=2) четырёхбитных (M=4) слов. Данные загружаются в ОЗУ из data_in по адресу adr при нажатии на кнопку:
module R0 #(parameter N = 2, M = 4)
(
input RAM_button, //кнопка
input [N-1:0] adr, //адрес
input [M-1:0] data_in, //порт ввода данных
output [M-1:0] RAM_out //порт вывода данных
);
reg [M-1:0] mem [2**N-1:0]; //объявляем массив mem
always @(posedge RAM_button) //при нажатии на кнопку
mem [adr] <= data_in; //загружаем данные в ОЗУ из data_in 
assign RAM_out = mem[adr]; //назначаем RAM_out портом вывода данных
endmodule

В качестве внешнего генератора подключим КМОП таймер 555 (работающий от 3.3V).
Подключим таймер 555 к счётчику, подключим счётчик к адресному входу ОЗУ:
module R1 #(parameter N = 2, M = 4)
(
input timer555, RAM_button,
//input [N-1:0] adr,
input [M-1:0] data_in,
output [M-1:0] RAM_out
);
reg [1:0]counter; //объявляем счётчик
always @(posedge timer555) //при поступлении тактового сигнала
 counter <= counter + 1;  // счетчик увеличивается на 1
 wire [N-1:0] adr;
 assign adr = counter; // подключаем счётчик на адресный вход ОЗУ
reg [M-1:0] mem [2**N-1:0];
always @(posedge RAM_button)
 mem [adr] <= data_in;
assign RAM_out = mem[adr];
endmodule

Здесь при описании счетчика counter и памяти mem используются неблокирующие присвоения <= Операторы присвоения рассматриваются на сайте marsohod.org здесь
Описание работы счетчика есть на сайте marsohod.org здесь

Добавим в счетчик функцию загрузки.
Загрузка осуществляется командой Counter_load:
//input Counter_load; 
wire [3:0] branch_adr; // адрес перехода
assign branch_adr = data_in; 
always @(posedge timer555)
begin
 if(Counter_load) //по команде "Counter_load"  переходим по адресу  "branch_adr"
  counter <= branch_adr;
 else
  counter <= counter + 1; 
end 


В отдельном модуле создаем 4bit'ный регистр (аккумулятор):
module register4
(
  input  [3:0] reg_data,
  input reg_button,
  output reg [3:0] q  
);
always @(posedge reg_button)
     	 q <= reg_data;
endmodule

Добавим в общую схему аккумулятор Acc, мультиплексор MUX2 и сумматор sum.
Сумматор прибавляет к числу в аккумуляторе Acc числа из памяти.
На сигнальные входы мультиплексора подаются числа data_in и sum.
Далее число из мультиплексора MUX2 загружается в аккумулятор Acc:
module R2 #(parameter ADDR_WIDTH = 2, DATA_WIDTH = 4)
(
input timer555, Counter_load, RAM_button,
input MUX_switch,
input Acc_button, 
input [3:0] data_in, 
output [3:0] Acc,
output [DATA_WIDTH-1:0] RAM,
output reg [1:0] counter
);
wire [1:0] branch_adr;
assign branch_adr = data_in[1:0]; 
//Counter
always @(posedge timer555)
begin
 if(Counter_load) 
  counter <= branch_adr;
 else
  counter <= counter + 1; 
end  
 
wire [ADDR_WIDTH-1:0] adr;
assign adr = counter;  
//RAM
reg [DATA_WIDTH-1:0] mem [2**ADDR_WIDTH-1:0];
always @(posedge RAM_button)
mem [adr] <= Acc;
assign RAM = mem[adr];
//sum
wire [3:0] sum;
assign sum =  Acc + RAM;
//MUX
reg [3:0] MUX2; 
always @*  // Always @* — значит «всегда» 
MUX2 = MUX_switch ? sum : data_in;
//Accumulator
register4 Acc_reg(
.reg_data(MUX2),
.reg_button(Acc_button),
.q(Acc)
);
endmodule

Always @* — значит «всегда». Некоторые синтезаторы не понимают эту конструкцию. Мультиплексор можно написать и без Always @* (тут используется просто для примера).


Вычитание


Для того, чтобы произвести вычитание, надо представить вычитаемое число в дополнительном коде. Про сложение и вычитание двоичных чисел можно прочитать в учебнике «Цифорвая схемотехника и архитектура компьютера» (Дэвид М. Харрис и Сара Л. Харрис) в главе 1.4.6 Знак двоичных чисел

Добавим в основной модуль элемент, вычитающий из числа в аккумуляторе числа, хранящиеся в памяти:
wire [3:0] subtract;
assign subract =  Acc - RAM ;

Заменим 2-входовой мультиплексор 4-входовым:
always @*
MUX4 = MUX_switch[1] ? (MUX_switch[0] ? RAM : subtract)
: (MUX_switch[0] ? sum : data_in);

Подключим к аккумулятору устройство вывода (4bit'ный регистр), также подключим к аккумулятору 2 флага:

1. Флаг «Ноль» — это лог. элемент 4ИЛИ-НЕ. Флаг поднимается, если содержимое Асс равно нулю.

2. Флаг «Ноль или Положительное число» — это лог. элемент НЕ на старшем разряде 4-разрядного аккумулятора. Флаг поднимается, если содержимое Асс больше или равно нулю.

//флаг "Ноль" 
output Z_flag;
assign Z_flag =  ~(|Acc); // 4-входовой вентиль ИЛИ-НЕ
//флаг "Ноль или Положительное число"
output PZ_flag;
assign PZ_flag =  ~Acc[3]; 


4ИЛИ-НЕ
Здесь мы описали многовходовой вентиль ИЛИ-НЕ как ~(|Acc)
Также в языке Verilog поддерживается набор типов логических вентилей (Gate Types).

Для логических вентилей определены ключевые слова: and (И), nand (И-НЕ), or (ИЛИ), nor (ИЛИ-НЕ), xor (Исключающее ИЛИ), xnor (Исключающее ИЛИ-НЕ), buf (Буферный элемент), not (Отрицание, НЕ).

В Verilog при использовании вентилей необходимо задать входы и выходы элемента, а также (не обязательно) имя вентиля. Например, вентили and и or должны иметь один выход и два и более входов. Так, для вентиля nor имеем
nor name list_of_ arguments
nor mynor(out, in0, in1, in2, in3);




Добавим три команды

1. загрузка содержимого аккумулятора в устройство вывода data_out
2. загрузка адреса в счётчик, если поднят флаг «ноль» (JMP if Acc=0)
3. загрузка адреса в счётчик, если поднят флаг «ноль или положительное число» (JMP if Acc>=0)

module R3 #(parameter ADDR_WIDTH = 2, DATA_WIDTH = 4)
(
input timer555, RAM_button,
input JMP, Z_JMP, PZ_JMP,
input [1:0] MUX_switch,
input Acc_button, 
input Output_button,
input [3:0] data_in, 
output [3:0] Acc,
output [3:0] data_out,
output [DATA_WIDTH-1:0] RAM,
output Z_flag, PZ_flag,
output reg [1:0] counter
);
wire [1:0] branch_adr;
assign branch_adr = data_in[1:0]; 
wire Z,PZ;
assign Z = Z_flag & Z_JMP;
assign PZ = PZ_flag & PZ_JMP;
//Counter
always @(posedge timer555)
begin
 if(JMP|Z|PZ) 
  counter <= branch_adr;
 else
  counter <= counter + 1; 
end  
 
wire [ADDR_WIDTH-1:0] adr;
assign adr = counter;  
//RAM
reg [DATA_WIDTH-1:0] mem [2**ADDR_WIDTH-1:0];
always @(posedge RAM_button)
mem [adr] <= Acc;
assign RAM = mem[adr];
//sum
wire [3:0] sum;
assign sum =  Acc + RAM;
//subtract
wire [3:0] subtract;
assign subtract =  Acc - RAM;
//MUX
reg [3:0] MUX4; 
always @*
MUX4 = MUX_switch[1] ? (MUX_switch[0] ? RAM : subtract)
: (MUX_switch[0] ? sum : data_in);

register4 Acc_reg(
.reg_data(MUX4),
.reg_clk(Acc_button),
.q(Acc)
);
register4 Output_reg(
.reg_data(Acc),
.reg_clk(Output_button),
.q(data_out)
);
assign Z_flag =  ~(|Acc);
assign PZ_flag =  ~Acc[3]; 
endmodule



Поместим команды и адреса в одно RAM/ОЗУ, а данные — в другое.



Схему можно скачать отсюда.

В первых восьми разрядах хранятся команды, в последних четырех разрядах хранится адрес, загружаемый в счётчик.

Вообще, загрузка числа в аккумулятор Асс должна производиться после переключения мультиплексора MUX (для команд ADD, SUB, LDA), по спаду тактового сигнала.

Т.о. в нашем компьютере следующая система команд

48х — ADD добавить число из ОЗУ к Асс
50х — SUB вычесть число, хранящееся в ОЗУ из Асс
80x — STA сохранить число из аккумулятора Асс в ОЗУ по адресу х
58х — LDA загрузить число из адреса х в Асс
04х — BRA безусловный переход в ячейку с адресом x
02х — BRZ переход в ячейку с адресом x, если Асс=0 (условный переход)
01x — BRP переход в ячейку с адресом x, если Асс>=0 (условный переход)
40х — INP загрузить число из data_input в Асс
20х — OUT загрузить число из Асс в data_out

Команды HLT у нас не будет.

Возьмём для примера алгоритм поиска максимального из двух чисел с сайта http://peterhigginson.co.uk/LMC/

Алгоритм работает так: сохраняем в память данных два числа из data_in. Вычитаем из второго числа первое:

  • если результат отрицательный, записываем первое число в Асс, записываем в data_out число из Асс;
  • если результат положительный, записываем второе число в Асс, записываем в data_out число из Асс.

00 INP
01 STA 11
02 INP
03 STA 12
04 SUB 11
05 BRP 08
06 LDA 11
07 BRA 09
08 LDA 12
09 OUT


В нашей системе команд этот алгоритм будет выглядеть так

400
80b
400
80c
50b
018
58b
049
58c
200



Элемент НЕ на управляющем входе счётчика, необходимый для загрузки данных в счётчик — это такая особенность программы Logisim, в реальных схемах элемент НЕ на управляющем входе не требуется (по крайней мере я таких счётчиков не знаю).

Quartus II можно скачать с официального сайта.

При регистрации в разделе My Primary Job Function is* необходимо выбрать пункт Student.
Далее необходимо скачать драйвер для программатора (драйвер для usb-blaster'a можно установить из C:\altera\...\quartus\drivers\usb-blaster).

Logisim можно скачать здесь.

+27
11.3k 74
Comments 4