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简易CPU设计入门：算术逻辑单元（四）

article 2025/1/12 23:26:17

项目代码下载

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。

CSDN文章：下载本项目代码

上述链接为本项目所依据的版本。

在讲解过程中，我还时不时地发现自己在讲解与注释上的一些个错误。有时，我还会添加一点新的资料。在这里，我将动态更新的代码版本发在下面的链接中。

Gitee项目：简易CPU设计入门项目代码:

讲课的时候，我主要依据的是CSDN文章链接。然后呢，如果你为了获得我的最近更新的版本，那就请在Gitee项目链接里下载代码。

准备好了项目源代码以后，我们接着去讲解。

本节前言

上一节的文章，我主要是采用【复制 + 修改】的方法来完成的。本节，依然会采用这种方法。因为，整个的算术逻辑操作的代码思路，其实是一样的。

在本节，我们要来讲解乘法运算。

本节的代码，位于【......cpu_me01\code\ALU\】路径里面。主要讲解的代码，是【multi_cell.v】代码文件。

一. 端口声明

我们来看一下端口声明部分的代码。

【multi_cell.v】里面的端口声明，和相同路径里面的【ALU.v】里面的端口声明是一样的。

第3行和第4行是系统时钟与系统复位信号。系统时钟信号，其频率为50MHz。系统复位信号为低电平有效。

第6行到第8行，它们对应着控制中心里面的3个内部寄存器。其中呢，【oprand0】对应着控制中心里面的0号内部寄存器，【oprand1】对应着控制中心里面的1号内部寄存器，【oprand2】对应着控制中心里面的2号内部寄存器。

我们可以看一下控制中心里面的代码。

图2里面的代码，是控制中心模块里面的代码。它显示了三个操作数变量与三个内部寄存器的绑定代码。在这里，三个操作数变量【oprand0-2】是如何声明的，以及它们是如何与本节的图1中的三个操作数变量【oprand0-2】相联系的，我就不去展示了。有兴趣的话，你可以自己去查看。

第10行到第12行，是本系统中的三大内部总线。第14行，是用于发送【成功完成】信号的总线。

二. 变量声明与总线绑定

第17行和第18行，是用来计时的两个变量。其中呢，【cal_time_d1】延后【cal_time】一个时钟周期。

第20行，它是用来保存计算结果的。本节的模块名称为【multi_cell】，所以呢，这里的 res，保存的是乘法法运算的运算结果。

第21行和第22行，分别是端口声明中的【work_ok_inner】和【data_sig_inner】总线变量的代理变量。

我们来看一下两个总线代理与对应的总线变量的绑定代码。

图4显示了这种总线变量与它的代理变量的绑定代码。

三. 计算

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
	if (sys_rst_n == 1'b0)
		res <= 1'b0;
	else if ((ctrl_sig_inner[4] == 1'b1) && (addr_sig_inner == 6'd2))
		res <= oprand1 * oprand0;
	else
		res <= res;

图5中的代码，就是执行计算的代码，它也是关于 res 的逻辑的代码。

res的逻辑是，在系统复位时，它是被赋值为0值。在【else】分支里面，也就是闲来无事时，它是保持现有值不变。而每当满足【(ctrl_sig_inner[4] == 1'b1) && (addr_sig_inner == 6'd2)】条件之时，它就执行计算，将【oprand1 * oprand0】的运算结果赋给 res 变量。

在这里，【ctrl_sig_inner[4] == 1'b1】是什么意思？

我们还是来复习一下内部控制总线的知识。

/*********************************************
ctrl_sig_inner[0]:register write enable：寄存器写使能
ctrl_sig_inner[1]:register read enable：寄存器读使能
ctrl_sig_inner[2]:random memory write ebable：内存写使能
ctrl_sig_inner[3]:random memory read enable：内存读使能
ctrl_sig_inner[4]:Arithmetic and Logic calculate：算术逻辑运算
ctrl_sig_inner[5]:reserve：保留
ctrl_sig_inner[6]:reserve：保留
ctrl_sig_inner[7]:reserve：保留
ctrl_sig_inner[8]:reserve：保留
ctrl_sig_inner[9]:reserve：保留
ctrl_sig_inner[10]:reserve：保留
ctrl_sig_inner[11]:reserve：保留
ctrl_sig_inner[12]:reserve：保留
ctrl_sig_inner[13]:reserve：保留
ctrl_sig_inner[14]:reserve：保留
ctrl_sig_inner[15]:reserve：保留
还有一种运算叫做读取立即数，将立即数放入内部寄存器。
此运算不需要通过内部信号的参与。
************************************************/

根据图6，当内部控制总线的位4为1，而其余位都是0值时，表示控制中心向算术逻辑单元发布了算术逻辑运算使能信号。

算术逻辑运算，可以包含着多种运算类型。加法算一个，减法也算是一个。那么，如何来区分不同的运算类型呢？这个时候，我们就通过内部地址总线【addr_sig_inner】来表示不同的运算种类。

当本模块收到的【addr_sig_inner】总线信号的值是2时，就表示执行乘法运算。

所以呢，图5所示代码的意思是，当【multi_cell】模块收到了算术逻辑运算使能信号，并且根据内部地址信号值，确定本次的运算类型为乘法运算时，则在非阻塞赋值阶段，将端口中的操作数1乘以操作数0，结果放在 res 变量里面。

四. 计时变量

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
	if (sys_rst_n == 1'b0)
		cal_time <= 1'b0;
	else if ((ctrl_sig_inner[4] == 1'b1) && (addr_sig_inner == 6'd2))
		cal_time <= 1'b1;
	else
		cal_time <= 1'b0;

在图7里面，显示了【cal_time】的逻辑。在系统复位与【else】分支里面，它都是被赋予0值。而在满足了【(ctrl_sig_inner[4] == 1'b1) && (addr_sig_inner == 6'd2)】条件之时，它就被赋予 1 值。

这个条件，它其实和第三分节中的 res 被重新计算的条件一样的。它是说，在收到了算术逻辑运算使能信号，且根据内部地址总线的值，判断出，本次执行的运算类型为乘法运算时，则将【cal_time】变量赋值为 1 值。

然后呢，我们再来看【cal_time_d1】的逻辑。

图8显示了【cal_time_d1】的逻辑。它是将【cal_time】延后一个时钟周期，所形成的信号。

五. 总线逻辑

图9显示了本模块的两个总线变量【data_sig_inner】和【work_ok_inner】的对应代理变量【data_sig_represent】和【work_ok_represent】的逻辑。

当检测到【cal_tijme == 1】条件满足之时，在此后的非阻塞赋值阶段，【data_sig_represent】和【work_ok_represent】被赋予 0 值。

当检测到【cal_tijme_d1 == 1】条件满足之时，在此后的非阻塞赋值阶段，【data_sig_represent】和【work_ok_represent】分别被赋予各自的有效值。其中，【data_sig_represent】被赋予 res 的值，也就是，将本模块的算术逻辑运算结果，保存下来。而【work_ok_represent】被赋予 1 值。

在这里，两大代理变量分别与本模块的两大总线变量相绑定。而本模块的两大总线变量，又与各自的同名的内部总线相连接。所以呢，向代理写入了什么值，就相当于，向对应的内部总线传递了什么值。

六. 总体逻辑

本模块的总体逻辑是，当检测到了算术逻辑使能信号，且运算类型为乘法运算时，则执行操作数1乘以操作数0的乘法运算，并将运算结果暂时保存在 res 变量里面。同时，将【cal_time】设置为 1 值。

然后呢，在检测到【cal_time == 1】条件满足之时，对两大内部总线【data_sig_inner】和【work_ok_inner】分别写入 0 值。同时，将【cal_time_d1】设置为 1 值。

在检测到【cal_time_d1 == 1】条件满足之时，对两大内部总线【data_sig_inner】和【work_ok_inner】分别传递有效值。其中呢，【data_sig_inner】被传入运算结果 res 的值，【work_ok_inner】被传递 1 值。

【work_ok_inner】被写入 1 值，表示本次操作成功完成。在【work_ok_inner】被写入 1 值的同时，运算结果也同时被传到【data_sig_inner】总线里面了。所以呢，成功完成信号【work_ok_inner】与运算结果【data_sig_inner】同时有效。控制中心，会从这两个内部总线接收到消息，并且会进行相应的处理的。