自己动手写CPU（1）—理论基础

本博客内容基于《自己动手写CPU》这本书，是设计cpu的理论基础

流水线可以将组合逻辑系统的分割，并且在各个部分之间插入寄存器，并暂缓中间数据。

五级流水线优于三级流水线？

流水线将每一个大操作分为若干个小操作，每个小操作的时间变小并且实现并行，提高系统频率，进而提高数据吞吐量。

组合逻辑电路

任意时刻的输出仅由该时刻的输入决定

时序逻辑电路

任意时刻的输出不仅取决于该时刻的输入，而且还和电路原来的状态有关。电路里面有存储元件（各类触发器，在FPGA 芯片结构中只有D 触发器）用于记忆信息，从电路行为上讲，不管输入如何变化，仅当时钟的沿（上升沿或下降沿）到达时，才有可能使输出发生变化。

与组合逻辑不同的是：

（1）在描述时序电路的always块中的reg型信号都会被综合成寄存器，这是和组合逻辑电路所不同的。

（2）时序逻辑中推荐使用非阻塞赋值“<=”。

（3）时序逻辑的敏感信号列表只需要加入所用的时钟触发沿即可，其余所有的输入和条件判断信号都不用加入，这是因为时序逻辑是通过时钟信号的跳变沿来控制的。

虽然前面文章有提到过，不过这里还要再提一下因为他是你设计CPU一定要了解的框架。

在介绍这两个文件之前介绍一下元件例化：在一个复杂的电路的实现过程中，可以将其分割成多个功能单元分别实现，然后通过一个顶层文件调用各个模块单元，将其按照一定的方式连接起来，从而实现最终电路。

基于上图（设计流程），我们来介绍一下这两个文件

顶层文件：
在你编写完整个各个模块的代码后（比如取指的PC，译码的ID），要编写一个顶层文件来将前面写的各个模块连接起来，通过调用各个模块来实现我们的功能。

test Bench文件：

可以思考一个问题，在我们将各个模块设计完成后，如何给出一个时钟信号？

通过test Bench文件，test Bench文件为测试或仿真一个Verilog HDL程序搭建了一个平台，我们被测试的模块施加激励信号，通过观察被测试模块的输出响应，从而判断逻辑是否正确。

因为我用到软件是vivado，所以在添加test Bench文件时要注意添加 simulation的文件

五级流水线分别是取指、译码、执行、访存、回写

取指阶段：从指令存储器读出指令，同时确定下一条指令地址。

译码阶段：对指令进行译码，从通用寄存器中读出要使用的寄存器的值，如果指令中含有立即数，那么还要将立即数进行符号扩展或无符号扩展。如果是转移指令，并且满足转移条件，那么给出转移目标，作为新的指令地址。

执行阶段：按照译码阶段给出的操作数、运算类型，进行运算，给出运算结果。如果是Load/Store指令，那么还会计算Load/Store的目标地址。

访存阶段：如果是Load/Store指令，那么在此阶段会访问数据存储器，反之，只是将执行阶段的结果向下传递到回写阶段。同时，在此阶段还要判断是否有异常需要处理，如果有，那么会清楚流水线，然后转移到异常处理例程入口地址处继续执行。

回写阶段：将运算结果保存到目标寄存器。