MIPS32 多周期 CPU 示例代码

最简单的多周期 CPU 实现，可以仿真运行监控程序的基础版本。

核心部分约 400 行代码。

这里提供了两种不同风格的实现：

• 基于全局的 控制信号，控制信号 和 数据通路 分离。
• 基于模块化的 中间表示，控制和数据混在一起。

前者从电路角度描述信号的选择，后者从逻辑角度描述指令接下来要做什么。体现在代码上就是，前者使用 assign 逐个描述输出信号的组合逻辑（从后向前），后者使用 always @(*) 针对每种情况描述所有输出信号（从前向后），最终由编译器完成组合逻辑的生成。

我个人更推崇使用后者，基于以下理由：

• 前者更贴近底层电路，后者更贴近高层逻辑。代码应该描述高层的逻辑，底层的电路结构交给编译器综合就好了。
• 前者具有全局性，写代码时几乎离不开数据通路图；后者具有局部性，更容易模块化调试。

环境

使用 iverilog 编译，GTKWave 查看波形。

Linux 安装命令：

apt-get install iverilog gtkwave

macOS 安装命令：

brew install iverilog
brew cask install gtkwave

检查是否正确安装：

which iverilog vvp gtkwave

运行测试

make build      # 编译
make test       # 仿真测试

用 GTKWave 打开 test.vcd 查看波形

目录结构

├── defs.v              定义常数
├── cpu             CPU 核心逻辑
│   ├── cpu.v           多周期 CPU 状态机
│   ├── io.v            IO 控制器
│   ├── alu.v           算术逻辑单元
│   ├── id.v            译码单元
│   ├── regfile.v       寄存器堆
│   ├── cpu1.v          基于控制信号的多周期 CPU
│   └── controller.v    控制信号生成器
├── mock            模拟设备，用于测试
│   ├── ram.v           模拟 RAM
│   └── serial.v        模拟串口
├── program         测试程序
│   ├── monitor.bin     监控程序 二进制文件
│   ├── monitor.elf     监控程序 elf文件
├── test            测试（testbench）
│   └── test_cpu.v      仿真测试监控程序