Build the Hack CPU with Verilog

悠悠 2022-08-13 17:40 22阅读 0赞

陈硕 2009-04-18

[http://blog.csdn.net/Solstice][http_blog.csdn.net_Solstice] giantchen\_AT\_gmail.com

最近手痒，买了一本《计算机系统要素:从零开始构建现代计算机》[http://www.china-pub.com/33880][http_www.china-pub.com_33880]，把书中讲到的Hack CPU用Verilog实现了一把。

原书在Amazon的页面是[http://tinyurl.com/cc6582][http_tinyurl.com_cc6582]《The Elements of Computing Systems: Building a Modern Computer from First Principles》。这本书除了讲CPU，还讲了数字逻辑、虚拟机、编译器等一些有意思的内容，中文翻译得也不错。

# 1Hack CPU介绍 #

Hack是一个16-bit Harvard结构的CPU，指令和数据分开存放。数据总线是16-bit，地址总线是15-bit，只有三个寄存器A、D和PC，其中A和D都是16-bit，PC是15-bit。指令长度均为16-bit，每条指令都能在单周期内完成。从书的配套网站[http://www1.idc.ac.il/tecs/plan.html][http_www1.idc.ac.il_tecs_plan.html]可下载讲义及部分章节，第五章讲了Hack CPU的设计，可以下载来看一看。这是Hack的接口框图：

![image001.gif][]

module cpu(clk, nrst, inst\_addr, inst, rdata, wdata, data\_addr, we);

input clk, nrst;

input\[15:0\] inst; // instruction

input\[15:0\] rdata; // inM

output\[14:0\] inst\_addr; // pc

output\[14:0\] data\_addr; // addressM

output\[15:0\] wdata; // outM

output we; // writeM

endmodule

代码1：Hack CPU的接口

书中给出的实现框图：

![image002.gif][]

Hack CPU可以用几十块74 TTL搭出来，不过得更改时序以适应异步SRAM的读写。它的复杂度可能还比不上一般大学本科的《微机原理》课程中要求学生实现的CPU。其实，实现一个能自动执行指令的数字电路比想象中简单多了，很多事情就是这样，一开始看上去很难，一旦上手去做，捅破了那层窗户纸，会发现其实做个能玩的出来也没那么困难。操作系统、编译器、CPU莫不如此。

下面分几步把Hack CPU造出来。

# 2实现Hack CPU  #

## 2.1执行A指令，PC递增 ##

Hack有两种类型的指令，A指令和C指令，A指令非常简单，它把指令的低15位存入寄存器A。我们先实现A指令，它的格式是：

![image003.gif][]

指令的最高位是0，低15位是寄存器A的设置值。

![image004.gif][]

module cpu(/\* ... /\*);

// 接口同“代码1”

reg\[14:0\] pc;

reg\[15:0\] a;

wire load\_a = !inst\[15\];

wire sel\_a = inst\[15\];

wire\[14:0\] next\_pc = pc + 15'b1;

wire\[15:0\] next\_a = sel\_a ? 16b’x : \{1'b0, inst\[14:0\]\};

assign inst\_addr = pc;

always @(posedge clk)

if (!nrst) // 同步清零

pc <= 15'b0;

else

pc <= next\_pc;

always @(posedge clk)

if (load\_a)

a <= next\_a;

endmodule

测试用的Hack指令（Verilog数据格式，下同）：

@0000

0000\_0000\_0000\_0000 // A = 0

0000\_0000\_0100\_0010 // A = 0x42

0101\_0101\_1010\_1010 // A = 0x55AA

指令存储器

module rom(addr, data);

input\[7:0\] addr;

output\[15:0\] data;

reg\[15:0\] memory\[0:255\];

assign data = memory\[addr\];

endmodule

仿真波形

![image005.gif][]

## 2.2执行与内存无关的C指令 ##

C指令基本上能做所有的事情，执行运算、输出结果、跳转等。这一节我们只实现与内存访问无关的C指令，即对A和D执行运算，并把结果存到A或D中。

C指令的格式：

![image006.gif][]

逻辑框图，蓝色为新增加的部分：

![image007.gif][]

要做运算，先得有ALU，原书第3章讲了ALU的设计，这里照搬过来。

module alu(x, y, out, fn, zero);

input\[15:0\] x, y;

input\[5:0\] fn;

output\[15:0\] out;

output zero;

wire zx = fn\[5\];

wire nx = fn\[4\];

wire zy = fn\[3\];

wire ny = fn\[2\];

wire add = fn\[1\];

wire no = fn\[0\];

wire\[15:0\] x0 = zx ? 16'b0 : x;

wire\[15:0\] y0 = zy ? 16'b0 : y;

wire\[15:0\] x1 = nx ? ~x0 : x0;

wire\[15:0\] y1 = ny ? ~y0 : y0;

wire\[15:0\] out0 = add ? x1 + y1 : x1 & y1;

assign out = no ? ~out0 : out0;

assign zero = ~|out;

endmodule

然后是更新的Hack CPU设计，更新部分用蓝色标记。这一步主要是加了一个寄存器D，一个ALU，还有一些数据通路和控制信号。

module cpu(/\* ... /\*);

// 接口同“代码1”

reg\[14:0\] pc;

reg\[15:0\] a;

reg\[15:0\] d;

alu alu0(.x(d), .y(am), .out(alu\_out), .fn(alu\_fn), .zero(zero));

wire load\_a = !inst\[15\] || inst\[5\];

wire load\_d = inst\[15\] && inst\[4\];

wire sel\_a = inst\[15\];

wire sel\_am = inst\[12\];

wire zero;

wire\[14:0\] next\_pc = pc + 15'b1;

wire\[15:0\] next\_a = sel\_a ? alu\_out : \{1'b0, inst\[14:0\]\};

wire\[15:0\] next\_d = alu\_out;

wire\[15:0\] am = sel\_am ? 16'bx : a;

wire\[15:0\] alu\_out;

wire\[5:0\] alu\_fn = inst\[11:6\];

assign inst\_addr = pc;

always @(posedge clk)

if (!nrst) // 同步清零

pc <= 15'b0;

else

pc <= next\_pc;

always @(posedge clk)

if (load\_a)

a <= next\_a;

always @(posedge clk)

if (load\_d)

d <= next\_d;

endmodule

## 2.3完整的实现 ##

剩下的工作是增加数据内存的访问功能，先定义Hack的RAM，这是一个同步的双口SRAM，可以用FPGA内置的存储单元实现。

module ram(clk, addr, rdata, wdata, we);

input clk, we;

input\[7:0\] addr;

output\[15:0\] rdata;

input\[15:0\] wdata;

reg\[15:0\] memory\[0:255\];

assign rdata = memory\[addr\];

always @(posedge clk)

if (we)

memory\[addr\] <= wdata;

endmodule

然后添加 RAM读写的data path，并支持跳转指令，这样得到了最终的设计，与书上的一摸一样。

![image008.gif][]

module cpu(clk, nrst, inst\_addr, inst, rdata, wdata, data\_addr, we);

input clk, nrst;

input\[15:0\] inst;

input\[15:0\] rdata;

output\[14:0\] inst\_addr, data\_addr;

output\[15:0\] wdata;

output we;

reg\[14:0\] pc;

reg\[15:0\] a;

reg\[15:0\] d

alu alu0(.x(d), .y(am), .out(alu\_out), .fn(alu\_fn), .zero(zero));

wire load\_a = !inst\[15\] || inst\[5\];

wire load\_d = inst\[15\] && inst\[4\];

wire sel\_a = inst\[15\];

wire sel\_am = inst\[12\];

wire jump = (less\_than\_zero && inst\[2\])

|| (zero && inst\[1\])

|| (greater\_than\_zero && inst\[0\]);

wire sel\_pc = inst\[15\] && jump;

wire zero;

wire less\_than\_zero = alu\_out\[15\];

wire greater\_than\_zero = !(less\_than\_zero || zero);

wire\[14:0\] next\_pc = sel\_pc ? a\[14:0\] : pc + 15'b1;

wire\[15:0\] next\_a = sel\_a ? alu\_out : \{1'b0, inst\[14:0\]\};

wire\[15:0\] next\_d = alu\_out;

wire\[15:0\] am = sel\_am ? m : a;

wire\[15:0\] alu\_out;

wire\[5:0\] alu\_fn = inst\[11:6\];

wire\[15:0\] m = rdata;

assign inst\_addr = pc;

assign data\_addr = a\[14:0\];

assign wdata = alu\_out;

assign we = inst\[15\] && inst\[3\];

always @(posedge clk)

if (!nrst)

pc <= 15'b0;

else

pc <= next\_pc;

always @(posedge clk)

if (load\_a)

a <= next\_a;

always @(posedge clk)

if (load\_d)

d <= next\_d;

endmodule

描述整个Hack CPU只用了50行 Verilog代码。

下面是书上第4章计算1+2+...+100的程序的仿真波形，计算结果**5050**出现在数据读端口：

![image009.gif][]

# 3不足与改进 #

Hack CPU尽管简单，却能够执行一般CPU的大部分功能，比如读写内存，算数与逻辑运算，条件判断与跳转。当然，也有一些明显的值得改进的地方。

1.不支持子程序调用，PC的值没法读出来并存到内存中。也就是说没法把返回地址存到函数调用栈中。这不难改进，只要在寄存器D之后放一个多路选择器，让PC+1的值也能参与运算。当然，需要扩充C指令的格式，把sel\_dpc编码进去，可以用第13位。

![image010.gif][]

2.不支持相对跳转，PC总是跳转到A所指的地址。不便于编写可重定位的代码。这个也不难解决，可以引入一种新的J指令（可以以二进制10开头，区别A指令和C指令），包含跳转条件和跳转偏移量，数据通路修改如下，只要增加一个加法器和选择通路。

![image011.gif][]

3.不支持中断，没法实现高效的IO。这个我还没有设计出一个好的解决方案。

# 4附录A：Verilog工具与心得 #

l免费的Verilog仿真器：Icarus Verilog \[ [http://www.icarus.com/eda/verilog/][http_www.icarus.com_eda_verilog] \]  
Windows版下载地址：[http://bleyer.org/icarus/][http_bleyer.org_icarus]  
我用的是iverilog-0.8.6\_setup.exe

l免费的波形查看器：GTKWave \[ [http://www.gpleda.org/tools/gtkwave/index.html][http_www.gpleda.org_tools_gtkwave_index.html] \]  
Windows版下载地址：[http://www.dspia.com/gtkwave.html][http_www.dspia.com_gtkwave.html]

我上一次用Verilog来做数字电路设计是在4年多以前(AES加密算法的FPGA实现，加密16字节用11个周期)，今后用它的机会也很少，这里写一点心得，算是留个纪念吧。

用Verilog的首要原则是，心中先有电路，再用Verilog把它描述(describe)出来，毕竟Verilog是硬件描述语言(Hardware ***description*** language)，不是程序设计语言。运用Verilog要掌握几种平衡：哪些需要人脑精心设计，哪些可以留给综合器(synthesizer)去优化；是把代码写得更通用(general)，还是使用特定器件做优化(例如使用LPM或megafunction)。一般来说，数据通路(data path)是需要精心考虑的，而组合逻辑(比如CPU里的控制逻辑)尽可留给综合器。毕竟布尔函数的最小化算法已经很成熟了，比如Quine–McCluskey algorithm和Espresso heuristic logic minimizer。综合器在实现组合逻辑方面有很多花招可玩，比如AES加密算法里的Rijndael S-box是个256字节的纯粹的查找表，好的综合器会根据器件的资源自动选择ROM或组合逻辑来实现。设计时更多是在考虑寄存器(通常是D触发器)的安排、数据在每一拍如何流动。这和程序设计类似，优先设计数据结构，然后让算法自然地浮现出来。

另外，Verilog的重要用途是写test bench。通过看仿真波形来除错是低效的，对于hack这样的小型设计还行，对于稍微复杂一点的设计非得用test bench不可。数字设计基本上是测试驱动的。

# 5附录B：另几个容易实现的CPU #

## 5.1Petzold’s  ##

在《编码的奥秘》\[[http://www.china-pub.com/680][http_www.china-pub.com_680]\] 第17章中，作者Charles Petzold由一个程序控制的累加器出发，逐步实现了一个简单的通用CPU。这也是我见到的最简单的CPU设计了。这一章可从china-pub付费下载。

## 5.2Beta ##

MIT 6.004课程讲授的一个32-bit类MIPS指令集的CPU：[http://tinyurl.com/2ppws][http_tinyurl.com_2ppws]

## 5.3Magic-1 ##

一个用TTL搭出来的能运行Minix 2.0.4的16位CPU：[http://www.homebrewcpu.com/][http_www.homebrewcpu.com]

[http_blog.csdn.net_Solstice]: http://blog.csdn.net/Solstice
[http_www.china-pub.com_33880]: http://www.china-pub.com/33880
[http_tinyurl.com_cc6582]: http://tinyurl.com/cc6582
[http_www1.idc.ac.il_tecs_plan.html]: http://www1.idc.ac.il/tecs/plan.html
[image001.gif]: /images/20220810/28e00712c73842328fec5307c21b63fd.png
[image002.gif]: /images/20220810/1cb68ece4fda48e8bd3df719d71fa697.png
[image003.gif]: /images/20220810/af87545214c74daa973ad083f7db33ae.png
[image004.gif]: /images/20220810/113c4b5f7f5d4e32831098b6951543b6.png
[image005.gif]: /images/20220810/8e00772770e641978e34c59d446c91ed.png
[image006.gif]: /images/20220810/aa48c5e5773949f08827920cdacaae52.png
[image007.gif]: /images/20220810/75795e801c4f49678d82e3b80a4efcca.png
[image008.gif]: /images/20220810/0f924e86fe2f4405859875bc45fe43f2.png
[image009.gif]: /images/20220810/7c03ad64e3e04511804dd6129c51408f.png
[image010.gif]: /images/20220810/654ee85326b54e6689c25f31003b87f4.png
[image011.gif]: /images/20220810/ac4359d6423d40eb9ee2c1bffddb8814.png
[http_www.icarus.com_eda_verilog]: http://www.icarus.com/eda/verilog/
[http_bleyer.org_icarus]: http://bleyer.org/icarus/
[http_www.gpleda.org_tools_gtkwave_index.html]: http://www.gpleda.org/tools/gtkwave/index.html
[http_www.dspia.com_gtkwave.html]: http://www.dspia.com/gtkwave.html
[http_www.china-pub.com_680]: http://www.china-pub.com/680
[http_tinyurl.com_2ppws]: http://tinyurl.com/2ppws
[http_www.homebrewcpu.com]: http://www.homebrewcpu.com/