简易CPU设计入门：控制总线的剩余信号（一）

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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

在之前的十几节中，我们讲解了算术逻辑操作。从本节开始，我们将控制中心模块里面，控制总线的剩余信号给讲完。

本节的代码，位于【......\cpu_me01\code\Ctrl_Center\】路径里面。主要讲解的代码，是【ctrl_center.v】。

我们来看一下控制总线的信号列表。

如果【ctrl_bus】的取值范围是【0 <= ctrl_bus < 4】，表示本次操作为寄存器写操作。
如果【ctrl_bus】的取值范围是【4 <= ctrl_bus < 8】，表示本次操作为寄存器读操作。
如果【ctrl_bus】的取值范围是【8 <= ctrl_bus < 12】，表示本次操作为内存写操作。
如果【ctrl_bus】的取值范围是【12 <= ctrl_bus < 16】，表示本次操作为内存读操作。
如果【ctrl_bus】的取值范围是【16 <= ctrl_bus < 20】，表示本次操作为立即数读操作。
如果【ctrl_bus】的取值范围是【20 <= ctrl_bus < 24】，表示本次操作为算术逻辑运算。
如果【ctrl_bus】的取值范围是【24 <= ctrl_bus < 28】，表示本次操作为更新指令指针寄存器【ip】。
如果【ctrl_bus】的取值范围是【28 <= ctrl_bus < 32】，表示本次操作为停机操作。

以上的块引用部分的内容，就是控制总线的全部信号了。我们之前讲了一部分，它们是【0 <= ctrl_bus < 16】的范围的信号。

这样一来，我们所剩下的，是立即数读控制信号，算术逻辑运算控制信号，更新指令指针寄存器ip的控制信号，还有指示停机的控制信号。

本节，我们要去讲解的，是立即数读控制信号。

一.    系统总线与内部寄存器

本节所要讲解的东西，主要是跟立即数的读操作有关。我们来看一看系统总线。

图1中所示的代码，位于控制中心模块的端口声明部分。它们分别是我们的仿真CPU项目中的控制总线，地址总线，数据总线，它们都属于是系统总线。

在图2中，65行到67行，分别是用来对控制总线、地址总线和数据总线进行缓存的变量。为啥要进行缓存呢？因为，三大系统总线中的信号的有效期，仅有一个时钟周期，稍纵即逝。而我们又需要在不同于总线数据有效期的时间里使用它们，所以呢，我们就声明了三个变量，用来将三大总线的数据给缓存下来，以便长久使用。

在图2的 64 行，我们声明了一个 reg 类型的数组，如下面的代码块所示。

reg [15:0] inner_reg[3:0];

它的含义是，声明四个 reg 类型的向量，每一个向量都是16位的，其中最高有效位是位15，最低有效位是位0。四个向量，用数组索引来引用。四个向量的引用方法为：inner_reg[0]，inner_reg[1]， inner_reg[2]，inner_reg[3]。

这四个向量，是我们的系统中的四个内部寄存器。注意，它们是内部寄存器，而非通用寄存器。

图2的68行申请的变量，它在代码中，用来作为访问内部寄存器的索引变量。由于，每当新指令任务到来之时，要访问的内部寄存器的索引位于控制总线【ctrl_bus】中，所以，我将这个用来访问内部寄存器的索引变量命名为【ctrl_bus_index】。

二.    imd_read_flag 组节拍变量

图3所示的几个变量，便是 rimd_read_flag 组节拍变量。从名字上可以大致猜到，【imd_read_flag】是主要的变量，【imd_read_flag_d1】比【imd_read_flag】延后一个时钟周期，【imd_read_flag_d2】比【imd_read_flag_d1】延后一个时钟周期。

是否如此呢？我们来看看下图所示的代码。

从图4来看，的确是说，【imd_read_flag】是主要的变量，【imd_read_flag_d1】比【imd_read_flag】延后一个时钟周期，【imd_read_flag_d2】比【imd_read_flag_d1】延后一个时钟周期。

三.    new_task 变量与缓存系统总线的有效数据

这个变量是我在控制中心模块里申请的一个 wire 型变量，如下图所示。

关于这个变量的含义，本节，我们依然是先不去深究。我们需要了解它的基本含义。如果它为1，就代表了一个新的微指令的开始，或者是代表了一个新的微操作的开始。

当 new_task 为1的时候，三大系统总线均含有有效数据。三大总线中的数据与 new_task 一样，有效数据的存在时间只有一个时钟周期。

对于 new_task 变量，它的值我们不需要保存。而对于三大系统总线的有效数据，我们是需要将其保存下来的，因为，它们正好处于有效期的时候，我们可能暂时用不到，但是 后面会有用，所以，我们需要将其缓存下来。

在图6里面，我们可以看到三大系统总线缓存变量与内部寄存器索引变量【ctrl_bus_index】的逻辑。

在系统复位时，三大系统总线缓存变量与内部寄存器索引变量【ctrl_bus_index】均被非阻塞赋值为高阻态值。在平时，先来无事时，也就是在【else】分支里面，它们都保存着各自的现有值不变。

每当 new_task 为1时，也就是，每当开启了一个新的微指令的时候，三大系统总线缓存变量会缓存各自对应的系统总线的有效数据。同时呢，内部寄存器索引变量【ctrl_bus_index】会将控制总线【ctrl_bus】的位1与位0给缓存下来。

也就是，在每一个新的微指令开启的时候，控制总线的位选信号【ctrl_bus[1:0]】指定了本次的微指令需要访问的内部寄存器的索引号。

在这里，当 new_task 为1时，也就是，每当开启了一个新的微指令的时候，数据总线上所保存的，是本次要读取的立即数的值。经过了缓存操作以后，则数据总线缓存变量【data_bus_buf】里面保存了本次要去读取的立即数的值。

在我们的系统中，有四个内部寄存器。这样一来，由控制总线【ctrl_bus】发布过来的每一个控制信号，其实都是4个一组。原因在于，每一个控制信号都需要指定要去访问的内部寄存器。

通用寄存器读操作，需要指定要去使用的内部寄存器索引。写操作，也需要指定本次要访问的内部寄存器的索引，其他的一些个控制信号，也是如此的。

对于每一种操作，无论是通用寄存器的读写操作，还是内存读写，算术逻辑操作，它们都含有索引字段。而索引值，是控制总线的位1与位0，所以，索引字段的值的范围，是0,1,2,3。

四.    imd_read_flag 组节拍变量的逻辑

 首先呢，我们来看 imd_read_flag 的逻辑。

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
	if (sys_rst_n == 1'b0)
		imd_read_flag <= 1'b0;
	else if ((new_task == 1'b1) && (ctrl_bus >= 16'd16) && (ctrl_bus < 16'd20))
		imd_read_flag <= 1'b1;
	else
		imd_read_flag <= 1'b0;

图7中所示，是关于 imd_read_flag 的逻辑。它的逻辑是，系统复位与处于【else】分支时，它都是0值。每当系统检测到【(new_task == 1'b1) && (ctrl_bus >= 16'd16) && (ctrl_bus < 16'd20)】条件满足时，则 imd_read_flag 会被非阻塞赋值为 1。

 new_task 变量我们讲过了，它为1，表示开启了一个新的微指令操作，标志着新任务的开始。而当 new_task 为1时，控制总线【ctrl_bus】的值，则是表示了本次微指令的功能。

根据本节的前言部分的控制总线信号的列表信息，如果【ctrl_bus】的取值范围是【16 <= ctrl_bus < 20】，且 new_task 为 1 时，表示开启了一个新任务，这个新任务的内容，为立即数读操作。

想要执行立即数读操作，我们还需要指出，要将读出来的立即数保存在那里。那么，这个数据在哪里呢？这个数据，目前是保存在四个内部寄存器中的某一个里面。具体保存位置的有效索引号，保存在【ctrl_bus[1:0]】之中。我们将【ctrl_bus[1:0]】赋给【ctrl_bus_index】，正是为了方便地引用这个索引号。

五.    立即数读操作

关于立即数读操作，它的主要的操作逻辑，是包含在内部寄存器的逻辑里面。关于内部寄存器的逻辑，它比较复杂，篇幅较大，所以，在这里，我只是截取了对于本节来讲有用的部分。

由图8和图10，我们可以看到，当系统复位时，四个内部寄存器变为0值。当处于【else】分支，也就是闲来无事时，四个内部寄存器保存现有值不变。

而根据图9中的532行和533行的代码，当检测到立即数读标志【imd_read_flag】为有效的高电平时，则将数据总线缓存变量【data_bus_buf】中的值赋给 inner_reg[ctrl_bus_index] 。在这里，数据总线缓存变量中的值，为本次要读取的立即数的值。而这个立即数的保存位置，便是控制中心模块的某一个内部寄存器。所保存的目标内部寄存器的索引号，由【ctrl_bus_index】来指定。

这样一来，如下的语句，实际上，就将本节所要执行的核心操作。

inner_reg[ctrl_bus_index] <= data_bus_buf;

六.    操作时序梳理

我们来梳理一下立即数读操作的操作时序。

我们还是来设定一个0号时钟上升沿。

（一）0号时钟上升沿

在0号时钟上升沿，系统检测到，【new_task == 1】，并且【8 <= ctrl_bus < 12】。这是我们的本节的操作时序的基准。

于是，在0号时钟上升沿之后的非阻塞赋值阶段，根据图6，三大系统总线缓存变量将三大总线的有效值给缓存了下来。注意，当【new_task == 1】条件满足之时，三大总线上，的确是含有着有效的数据。同时，【ctrl_bus[1:0]】的值被赋给了【ctrl_bus_index】。对于立即数读操作来讲，本次所要读取的立即数，保存在数据总线【data_bus】里面，或者说，位于地址总线缓存变量【data_bus_buf】里面。读取的立即数，需要被保存在某一个内部寄存器之中，而【ctrl_bus[1:0]】则是在 new_task 为1时指定了这个内部寄存器的有效索引号。

在0号时钟上升沿之后的非阻塞赋值阶段，根据图7，【imd_read_flag】被赋值为1。

（二）1号时钟上升沿

在1号时钟上升沿，系统检测到【imd_read_flag == 1】。

在【imd_read_flag == 1】条件满足之时，我们需要将本次要读取的立即数的数值，保存在某一个内部寄存器里面。这个待被读取的立即数的数值，此时保存在【data_bus_buf】里面。而保存的目标内部寄存器，其索引号由【ctrl_bus_index】来指定。

图9中的532和533行代码执行了本次操作。

立即数读操作，就是这么简单。

结束语

立即数读操作，感觉还好。我依然是将之前写过的文章，加以复制和修改，而形成了本节的文章内容。

如果，真的是要我从头到尾来写作，我也会觉得烦的。因为，好多的内容，我第一次写的时候，就觉得超级烦躁。

有可能，我这里所写的文章，还存在着问题。以后，慢慢地来修改了。