简易CPU设计入门：取指令（四）

项目代码下载

还是请大家首先准备好本项目所用的源代码。如果已经下载了，那就不用重复下载了。如果还没有下载，那么，请大家点击下方链接，来了解下载本项目的CPU源代码的方法。

下载本项目代码

准备好了项目源代码以后，我们接着去讲解。

一.   RAM IP 核在取指令模块中的实例引用

在前面的几节里面，我讲解了取指令模块的端口与变量，讲解了RAM IP核的生成等等。本小节呢，我们来看一看，RAM IP核在本模块中的实例引用。

请大家定位到【\cpu_me01\code\get_instruct.v】，查看里面的 RAM IP 核实例引用部分的代码。

在图1里面，RAM IP核的模块当中，有时钟信号【clock】与异步复位信号【aclr】。时钟信号，这个就是用我们的系统复位信号【sys_clk】来连接就行了。

在我们的系统中，系统时钟信号的频率，是设置为50MHz。

RAM IP核里面的复位信号，其实我们也是用系统复位信号【sys_rst_n】来连接的。只不过呢，在我们的一般的设计模块的代码中，我们的复位，是低电平有效复位，而 RAM IP 核中的复位信号，是高电平有效复位。所以呢，我们在图1的65行里面，是用【~sys_rst_n】来作为【.aclr()】的括号里面的信号的。

然后呢，图1的66行，是地址信号，这个呢，我们用本模块的【ip_buf】来来连接。

我们还是来略微回顾一下【ip_buf】的逻辑。如下图所示。

由图2核图3可知，【ip_buf】是在输入信号中的【get_inst_en】变为1以后，通过非阻塞赋值的方式，来缓存输入信号中的指令指针信号【i[p】的。

地址信号，无论我们是从RAM中读取数据，还是向RAM中写入数据，都需要指定地址。那么，这个地址信号呢，就是来自于我们的输入信号中的指令指针信号【ip】。当然了，直接连接到RAM IP核的实例中的信号，是输入信号【ip】的缓存信号【ip_buf】。

然后呢，我们再来看图1中除了时钟、异步复位和地址信号之外，剩下的信号。剩下的信号，分为两组。

图1的68行中的【data】信号和70行的【wren】信号，都是 RAM IP核实例中的信号，这俩信号，用于向 RAM 写入数据。想要写的数据，要传递给data信号。什么时候想要写数据了，就给写使能信号【wren】设置为1，就可以了。要注意的是，当我们想要写入数据的时候，必须要确保写使能【wren】、待写入的数据【data】、地址信号【address】同时有效。不能说，写使能为1的时候，待写入数据和地址信号里面的值是无效的值，那是不行的。

在这里，我们生成的这个RAM IP核，我们的目的，不是要往里面写入数据，而是为了从里面读取指令信息，里面存储的，是我们要去译码与执行的指令码。只是为了从中读取信息，而不会往里面写入数据。

所以呢，在这里，我们已经可以确定，写使能信号【wren】，肯定会是始终为0的。所以呢，在图1中的70行里面，我们传递给【wren】信号的值，固定为【1'b0】。

而待写入的数据【data】，这个其实写啥都行。因为写使能信号始终为0，这样一来，不管我们往【data】信号里面传入什么值，它都写不进去。所以，这一个待写入的数据【data】，我们给它传什么值都行。不过呢，为了提醒自己说，我们不会往里面写入数据，所以呢，我就传递了一个高阻抗的值【16'hz】。

关于这个高阻抗值，其实它是一个很有意思的东西。在这里呢，我暂时不想展开讨论。以后有机会，我会来讨论这个高阻抗的问题。这里，先留着不讲。

这样一来，图1里面，就只剩下两个信号了，分别是69行的【rden】和71行的【q】信号。

以我的为数不多的使用经验来讲，在Quartus II 13.1里面，好多的 IP 核的输出数据信号的名字，都是【q】。在本模块中的 RAM IP 核实例中，也是如此，【q】代表着输出数据。

在图1里面，大家可以看到，我们用本模块的【rd_en】来连接 IP 核实例中的【rden】信号，也就是，读使能对应着读使能。我们还用本模块的wire型变量【instruct_code_wire】来连接着 IP 核中的输出信号【q】。

我们要从RAM中读取的数据，是指令码数据，所以呢，我们就将接收这个数据的变量名，命名为【instruct_code_wire】了。结尾的【wire】表明这是一个wire型变量。

二.   reg与wire类型知识点小复习

有一个问题哈，我们可否用reg型变量，来接收 IP 核实例中的输出数据信号【q】呢？

不可以的。

我们来复习一下Verilog里面，关于端口连接规则的知识点。

• 输入端口：从模块内部来讲，本模块的输入端口必须为线网数据类型。从模块外部来讲，连接到本模块的输入端口的变量，可以是reg型，也可以是线网类型。
• 输出端口：从模块内部来讲，本模块的输出端口可以是reg型变量，也可以是线网类型的变量。从模块外部来讲，本模块的输出端口所连接到的外部的变量，必须为线网类型的变量，而不能是reg类型。
• 输入/输出端口：从模块内部来讲，本模块的输入/输出端口必须为线网数据类型，而不可以是reg型。从模块外部来看，本模块的输入/输出端口所连接到的外部的变量，也必须是线网类型
• 关于线网类型：我们平常所说的线网类型，常常是指wire型。实际上，在Verilog里面，线网类型不止有wire型，还包括wand，wor，tri，triand，triort 和 trireg 等等。在初学阶段，我们只需要关注wire类型就可以了，暂时地可以将线网与wire看作是完全相同的概念。然而，随着我们的学习经验的增长，当我们想要进阶学习Verilog，以便可以更加灵活地去设计芯片的时候，我们需要渐渐地去接触Verilog里面的一些个平时不常用的知识，包括线网的其余的数据类型。

Verilog的知识点，我的感觉，它是非常地零散细碎的。建议大家可以建立一个备忘录，学习笔记啥的。或者，你可以在自己的电脑上，设置一个文件夹，专门用来记录Verilog的一些个零散的知识点。注意哦，这种记录，不是要你全面地记录，不是要你去写书。是把你觉得比较零散，容易忘记，或者是真的比较重要的东西，给记录下来。

三.   指令码信号的导出与译码使能

指令码信号，就是我们在第一分节的末尾提到的【instruct_code_wire】，我们来看看下图所示的代码。

如图4所示，第13行里面，我们声明了指令码信号。

我们再来看一看，我们是如何将其导出的。

如图5所示，我们在一个always块里面，同时处理了译码使能信号【decode_en】和指令码信号【instruct_code】。指令码信号【instruct_code】，它是本模块的输出端口，是reg类型的一个变量。大家可以回到上面的图3去看一看指令码信号的端口声明情况。

当系统复位信号到来的时候，译码使能信号【decode_en】与指令码信号【instruct_code】均被设置为0。然后呢，当检测到rd_en_d1信号为1的时候，译码使能被非阻塞赋值为有效的高电平，而指令码信号【instruct_code】被非阻塞赋值为【instruct_code_wire】。

也就是，当检测到【rd_en_d1】为1的时候，wire型变量【instruct_code_wire】，IP核的输出数据信号【q】所连接到的【instruct_code_wire】变量，被赋值给了输出端口【instruct_code】，予以导出了。

然后呢，在else分支里面，我们看到，指令码信号【instruct_code】保持不变，而译码使能信号【decode_en】清零了。也就是，译码使能信号，仅仅维持了一个时钟周期的有效高电平，且仅仅是检测到【rd_en_d1】为1的时候，才维持着一个时钟周期的高电平。

在本系统里面，这种仅维持一个时钟周期的高电平的信号，是很多的。请大家注意这种代码的特点。这种信号，一般地，都是说，复位信号起作用时清零，else分支里面也是清零，仅仅是符合某一个条件的时候才会变为1，并且所检测的那个条件也仅仅是维持着一个时钟周期的高电平。

关于【rd_en_d1】，其实它是【rd_en】信号延时一个时钟周期的信号副本。我们来看下面的代码来回顾这一点。

关于rd_en，rd_en_d1与rd_en_d2的延时逻辑，我在之前的章节里面有讲过。忘记了的，请大家点击下述链接来复习这种延时逻辑。

rd_en的延时逻辑

到了这里，我们差不多应该梳理一下取指令模块的执行逻辑了。

四.   取指令模块的总体执行逻辑

所谓的总体执行逻辑，指的是波形时序变化情况。

想要研究某一个模块的波形时序变化，最好是用波形时序图来表示。然而，在我这里，我不太会画波形图。即使能画好波形图，我大概也是更喜欢用文字或者是电子表格的形式来说明问题。

在本模块里面，开始工作的起始点，是取指令使能信号变为有效的高电平。在我们的系统里面，每一个指令的执行周期里面，取指令使能信号仅有一次变为高电平的时候，且仅仅维持一个时钟周期的高电平。

取指令使能信号，就是输入端口中的【get_inst_en】变量。

然后呢，另外的两个标识着时序的变量，是【rd_en】与【rd_en_d1】

我们来将这个逻辑给展现出来。

首先呢，外部模块传入的取指令使能信号【get_inst_en】变为高电平。

当检测到【get_inst_en】变为高电平以后，【ip_buf】通过非阻塞赋值的方式缓存输入端口【ip】的值，【rd_en】则是被非阻塞赋值为1。

【rd_en】与【ip_buf】，分别连接到 RAM IP 核实例的读使能信号【rden】与地址信号【address】。

在我们的系统中，我们所生成的 RAM IP 核，它是说，当某一个时钟上升沿检测到rden为高电平以后，在下一个时钟上升沿到来时，数据就会通过输出端口【q】予以输出。在我们的代码里，接收【q】的数据的，是wire型变量【instruct_code_wire】。

在【get_inst_en】变为高电平的下一个时钟上升沿，【rd_en】变为1。【rd_en】的有效高电平会传给 RAM IP 核实例。RAM IP 核实例会去进行着读取数据的操作。同时，在检测到【rd_en】为1以后，rd_en_d1会被非阻塞赋值为1。

在rd_en变为高电平的下一个时钟上升沿，rd_en_d1变为高电平，这时 RAM IP 核的数据已经出现在数据输出端口【q】里面了。【q】的数据由【instruct_code_wire】实时接收。由于【instruct_code_wire】变量里面已经存放着有效的指令码数据了，因此，将指令码信号传给译码器以进行译码的条件已经成熟。所以，当检测到【rd_en_d1】为1的时候，译码使能信号【decode_en】被非阻塞赋值为1，本模块的输出端口【instruct_code】被非阻塞赋值为【instruct_code_wire】。

以上，就是取指令模块的代码执行逻辑了。

不知道大家听懂了没，接下来，我再将上面所说的东西，用流程图来略作整理。流程图如下。

结束语

到了这里，取指令模块，其实就差不多是讲完了的。其实还有一点小内容没有讲。那就是，我在生成RAM IP核的同时，我也创建了一个内存初始化文件，用来为 RAM DISK写入一些个固定的指令码。

关于内存初始化文件的写入方法，我就先不讲了。等到讲完了译码模块以后，我们再来将内存初始化文件的问题。那个时候，我们再来看看，我们究竟是往RAM DISK里面写了什么指令码。

本节占用的课节数不少。希望大家能跟上。

在本节，我大概是第一次使用流程图。以后，可能我会多去使用流程图的。希望大家能够渐渐地适应我的讲课方法，学会去看流程图，表格啥的。