`timescale 1ns / 1ps
//
module Idecode32 (
input reset,
input clock,
output [31:0] read_data_1, // 输出的第一操作数
output [31:0] read_data_2, // 输出的第二操作数
input [31:0] Instruction, // 取指单元来的指令
input [31:0] read_data, // 从DATA RAM or I/O port取出的数据
input [31:0] ALU_result, // 从执行单元来的运算的结果，需要扩展立即数到32位
input Jal, // 来自控制单元，说明是JAL指令
input RegWrite, // 来自控制单元
input MemtoReg, // 来自控制单元
input RegDst, // 来自控制单元
output [31:0] Sign_extend, // 译码单元输出的扩展后的32位立即数
input [31:0] opcplus4 // 来自取指单元，JAL中用
);
reg[31:0] register[0:31]; // 寄存器组共32个32位寄存器
reg[4:0] write_register_address; // 要写的寄存器的号
reg[31:0] write_data; // 要写寄存器的数据放这里
wire[4:0] read_register_1_address; // 要读的第一个寄存器的号（rs）
wire[4:0] read_register_2_address; // 要读的第二个寄存器的号（rt）
wire[4:0] write_register_address_1; // r-form指令要写的寄存器的号（rd）
wire[4:0] write_register_address_0; // i-form指令要写的寄存器的号(rt)
wire[15:0] Instruction_immediate_value; // 指令中的立即数
wire[5:0] opcode; // 指令码
assign opcode = Instruction[31:26]; // OP
assign read_register_1_address = Instruction[25:21]; // rs
assign read_register_2_address = Instruction[20:16]; // rt
assign write_register_address_1 = Instruction[15:11]; // rd (r-form)
assign write_register_address_0 = Instruction[20:16]; // rt (i-form)
assign Instruction_immediate_value = Instruction[15:0]; // data, rladr (i-form)
wire sign; // 取符号位的值
assign sign = Instruction[15]; // 取指令的第15位作为符号位
assign Sign_extend[31:16] = (sign) ? {16{1'b1}} : {16{1'b0}}; // 符号扩展，根据符号位填充高位
assign Sign_extend[15:0] = Instruction[15:0]; // 将原始的16位立即数填充到低位
assign read_data_1 = register[read_register_1_address]; // 从寄存器组中读取第一个源寄存器的数据
assign read_data_2 = register[read_register_2_address]; // 从寄存器组中读取第二个源寄存器的数据
always @* begin
if (Jal) begin
write_register_address = 5'b11111; // JAL指令的目标寄存器是31号寄存器
end else begin
if (RegDst) begin
write_register_address = write_register_address_1; // r-form指令的目标寄存器地址
end else begin
write_register_address = write_register_address_0; // i-form指令的目标寄存器地址
end
end
end
always @* begin
if (MemtoReg) begin
write_data = read_data; // 数据来自数据RAM的输出
end else begin
write_data = ALU_result; // 运算指令的数据来自ALU_result
end
end
integer i;
always @(posedge clock) begin
if (reset == 1) begin
for (i = 0; i < 32; i = i + 1)
register[i] <= 0; // 初始化寄存器组，将所有寄存器清零
end else if (RegWrite == 1) begin
if (write_register_address != 5'b00000) begin
register[write_register_address] <= write_data; // 写入数据到目标寄存器，除了0号寄存器
end
end
end
endmodule仿真代码如下
`timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date:
// Design Name:
// Module Name: idcode32_sim
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//
module idcode32_sim ();
// input
reg[31:0] Instruction = 32'b000000_00010_00011_00111_00000_100000; //add $7,$2,$3
reg[31:0] read_data = 32'h00000000; // 从DATA RAM or I/O port取出的数据
reg[31:0] ALU_result = 32'h00000005; // 需要扩展立即数到32位
reg Jal = 1'b0;
reg RegWrite = 1'b1;
reg MemtoReg = 1'b0;
reg RegDst = 1'b1;
reg clock = 1'b0 ,reset = 1'b1;
reg[31:0] opcplus4 = 32'h00000004; // 来自取指单元，JAL中用
// output
wire[31:0] read_data_1;
wire[31:0] read_data_2;
wire[31:0] Sign_extend;
Idecode32 Uid (
.reset (reset), // 复位(高电平有效)
.clock (clock), // CPU时钟
.read_data_1 (read_data_1), // 输出的第一操作数
.read_data_2 (read_data_2), // 输出的第二操作数
.Instruction (Instruction), // 取指单元来的指令
.read_data (read_data), // 从DATA RAM or I/O port取出的数据
.ALU_result (ALU_result), // 从执行单元来的运算的结果，需要扩展立即数到32位
.Jal (Jal), // 来自控制单元，说明是JAL指令
.RegWrite (RegWrite), // 来自控制单元
.MemtoReg (MemtoReg), // 来自控制单元
.RegDst (RegDst), // 来自控制单元
.Sign_extend (Sign_extend), // 扩展后的32位立即数
.opcplus4 (opcplus4) // 来自取指单元，JAL中用
);
initial begin
#200 reset = 1'b0;
#200 begin Instruction = 32'b001000_00111_00011_1000000000110111; //addi $3,$7,0X8037
read_data = 32'h00000000;
ALU_result = 32'hFFFF803C;
Jal = 1'b0;
RegWrite = 1'b1;
MemtoReg = 1'b0;
RegDst = 1'b0;
opcplus4 = 32'h00000008;
end
#200 begin Instruction = 32'b001100_00010_00100_1000000010010111; //andi $4,$2,0X8097
read_data = 32'h00000000;
ALU_result = 32'h00000002;
Jal = 1'b0;
RegWrite = 1'b1;
MemtoReg = 1'b0;
RegDst = 1'b0;
opcplus4 = 32'h0000000c;
end
#200 begin Instruction = 32'b000000_00000_00001_00101_00010_000000; //sll $5,$1,2
read_data = 32'h00000000;
ALU_result = 32'h00000004;
Jal = 1'b0;
RegWrite = 1'b1;
MemtoReg = 1'b0;
RegDst = 1'b1;
opcplus4 = 32'h00000010;
end
#200 begin Instruction = 32'b100011_00000_00110_0000000100000000; //LW $6,0(0X100)
read_data = 32'h0000007B;
ALU_result = 32'h00000054;
Jal = 1'b0;
RegWrite = 1'b1;
MemtoReg = 1'b1;
RegDst = 1'b0;
opcplus4 = 32'h00000014;
end
#200 begin Instruction = 32'b000011_00000000000000000000000000; //JAL 0000
read_data = 32'h00000000;
ALU_result = 32'h00000004;
Jal = 1'b1;
RegWrite = 1'b1;
MemtoReg = 1'b0;
RegDst = 1'b0;
opcplus4 = 32'h00000018;
end
end
always #50 clock = ~clock;
endmodule
仿真波形图如下图
