Verilog-Prozessordesign

Teil I.
Teil II
Teil III
Teil iv
Teil v

Wir entwerfen Little Man Computer in Verilog.

Der Artikel über LMC war auf Habré.

Online-Simulator dieses Computers ist hier .

Wir schreiben ein RAM / RAM-Modul, das aus vier (N = 2) Vier-Bit-Wörtern (M = 4) besteht. Daten werden von data_in bei adr in den RAM geladen, wenn Sie auf die Schaltfläche klicken:

module R0 #(parameter N = 2, M = 4) ( input RAM_button, // input [N-1:0] adr, // input [M-1:0] data_in, //   output [M-1:0] RAM_out //   ); reg [M-1:0] mem [2**N-1:0]; //  mem always @(posedge RAM_button) //    mem [adr] <= data_in; //     data_in assign RAM_out = mem[adr]; // RAM_out    endmodule 

Schließen Sie als externen Generator einen 555 CMOS- Timer an (Betrieb mit 3,3 V).
Wir verbinden den 555-Timer mit dem Zähler, verbinden den Zähler mit dem Adresseneingang des RAM :

 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; //  always @(posedge timer555) //    counter <= counter + 1; //    1 wire [N-1:0] adr; assign adr = counter; //       reg [M-1:0] mem [2**N-1:0]; always @(posedge RAM_button) mem [adr] <= data_in; assign RAM_out = mem[adr]; endmodule 

Hier werden bei der Beschreibung des Zählerzählers und des Mem- Speichers nicht blockierende Zuweisungen verwendet. <= Zuweisungsoperatoren werden auf der Website marsohod.org hier berücksichtigt
Eine Beschreibung des Zählers finden Sie hier auf marsohod.org

Fügen Sie die Download-Funktion zum Zähler hinzu.
Das Herunterladen erfolgt mit dem Befehl Counter_load :

 //input Counter_load; wire [3:0] branch_adr; //   assign branch_adr = data_in; always @(posedge timer555) begin if(Counter_load) //  "Counter_load"    "branch_adr" counter <= branch_adr; else counter <= counter + 1; end 

Erstellen Sie in einem separaten Modul ein 4-Bit-Register (Batterie):

 module register4 ( input [3:0] reg_data, input reg_button, output reg [3:0] q ); always @(posedge reg_button) q <= reg_data; endmodule 

Fügen Sie den Akkumulator, den MUX2- Multiplexer und den Summenaddierer zur allgemeinen Schaltung hinzu.
Der Addierer addiert die Nummer in den Batterie- Acc- Nummern aus dem Speicher.
Die Signaleingänge des Multiplexers erhalten die Zahlen data_in und sum .
Als nächstes wird die Nummer vom MUX2- Multiplexer in die Acc- Batterie geladen:

 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 @* —  «» MUX2 = MUX_switch ? sum : data_in; //Accumulator register4 Acc_reg( .reg_data(MUX2), .reg_button(Acc_button), .q(Acc) ); endmodule 

Immer @ * bedeutet "immer". Einige Synthesizer verstehen dieses Design nicht. Ein Multiplexer kann auch ohne Always @ * geschrieben werden (hier wird er nur als Beispiel verwendet).

Subtraktion

Um eine Subtraktion durchzuführen, muss eine subtrahierte Zahl in einem zusätzlichen Code angegeben werden . Informationen zum Addieren und Subtrahieren von Binärzahlen finden Sie im Lehrbuch „Digitale Schaltkreise und Computerarchitektur“ (David M. Harris und Sarah L. Harris) in Kapitel 1.4.6 Das Zeichen der Binärzahlen

Fügen Sie dem Hauptmodul ein Element hinzu, das die im Speicher gespeicherten Zahlen von der Zahl in der Batterie abzieht:

 wire [3:0] subtract; assign subract = Acc - RAM ; 

Ersetzen Sie den Multiplexer mit 2 Eingängen durch einen Multiplexer mit 4 Eingängen:

 always @* MUX4 = MUX_switch[1] ? (MUX_switch[0] ? RAM : subtract) : (MUX_switch[0] ? sum : data_in); 

Wir verbinden das Ausgabegerät mit der Batterie (4bit'ny Register), wir verbinden auch 2 Flags mit der Batterie:

1. Das Flag "Null" ist ein Protokoll. Element 4 ODER NICHT. Das Flag wird gehisst, wenn der Inhalt von Ass Null ist.

2. Das Flag „Null oder positive Zahl“ ist ein Protokoll. Das Element befindet sich NICHT auf dem hohen Niveau der 4-Bit-Batterie. Das Flag wird gesetzt, wenn der Inhalt von Ass größer oder gleich Null ist.

 // "" output Z_flag; assign Z_flag = ~(|Acc); // 4-  - // "   " output PZ_flag; assign PZ_flag = ~Acc[3]; 

Fügen Sie drei Teams hinzu

1. Laden des Batterieinhalts in das Ausgabegerät data_out
2. Laden der Adresse in den Zähler, wenn das Flag „Null“ gesetzt ist ( JMP, wenn Acc = 0)
3. Laden der Adresse in den Zähler, wenn das Flag „Null oder eine positive Zahl“ gesetzt ist ( JMP, wenn 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 

Wir legen die Befehle und Adressen in einen RAM / RAM und die Daten in einen anderen.



Das Schema kann hier heruntergeladen werden .

In den ersten acht Ziffern werden Befehle gespeichert, in den letzten vier Ziffern wird die Adresse in den Zähler geladen.

Im Allgemeinen sollte das Laden einer Nummer in die Ass- Batterie nach dem Umschalten des MUX-Multiplexers (für ADD- , SUB- , LDA- Befehle) entsprechend dem Taktabfall erfolgen.

T.O. in unserem Computer das folgende Befehlssystem

48x - ADD füge eine Nummer aus dem RAM zu Ass hinzu
50x - SUB subtrahiert die im RAM gespeicherte Zahl von Ass
80x - STA speichert die Nummer von der Batterie im RAM unter der Adresse x
58x - LDA lädt eine Nummer von Adresse x in Ass
04x - BRA bedingungsloser Übergang zur Zelle mit der Adresse x
02x - BRZ-Übergang zur Zelle mit der Adresse x, wenn Ass = 0 (bedingter Übergang)
01x - BRP-Übergang zur Zelle mit der Adresse x, wenn Ass> = 0 (bedingter Übergang)
40x - INP lädt eine Nummer aus data_input in Ass
20x - OUT lädt die Nummer von Ass nach data_out

Wir werden kein HLT-Team haben .

Nehmen Sie zum Beispiel den Algorithmus zum Ermitteln von maximal zwei Zahlen auf der Website http://peterhigginson.co.uk/LMC/.

Der Algorithmus funktioniert folgendermaßen: Wir speichern zwei Zahlen aus data_in im Datenspeicher. Subtrahieren Sie die erste von der zweiten Zahl:

• Wenn das Ergebnis negativ ist, schreiben Sie die erste Zahl in Ass, schreiben Sie die Zahl von Ass in data_out;
• Wenn das Ergebnis positiv ist, schreiben Sie die zweite Zahl in Ass, schreiben Sie die Zahl von Ass in data_out.

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


In unserem Befehlssystem sieht dieser Algorithmus folgendermaßen aus

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



Das Element NICHT am Steuereingang des Zählers, der zum Laden von Daten in den Zähler benötigt wird, ist ein solches Merkmal des Logisim-Programms. In realen Schemata wird das Element NICHT am Steuereingang benötigt (zumindest kenne ich solche Zähler nicht).

Quartus II kann von der offiziellen Website heruntergeladen werden .

Wenn Sie sich unter Meine primäre Jobfunktion * registrieren, wählen Sie Student.
Als nächstes müssen Sie den Treiber für den Programmierer herunterladen (der Treiber für USB-Blaster kann unter C: \ altera \ ... \ quartus \ drivers \ USB-Blaster installiert werden).

Logisim kann hier heruntergeladen werden .