简易CPU设计入门：控制总线的剩余信号（二）

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

在上一节，我讲解了立即数读信号。本节，我们继续来讲解控制总线中的剩余信号。

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 < 20】的范围的信号。

这样一来，我们所剩下的，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，是算术逻辑运算控制信号。

一. 系统总线与内部寄存器

本节所要讲解的东西，主要是跟算术逻辑运算有关。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. ALU_flag 组节拍变量

图3所示的几个变量，便是 ALU_flag 组节拍变量。从名字上可以大致猜到，【ALU_flag】是主要的变量，【ALU_flag_d1】比【ALU_flag】延后一个时钟周期，【ALU_flag_d2】比【ALU_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，【ALU_flag】是主要的变量，【ALU_flag_d1】比【ALU_flag】延后一个时钟周期，【ALU_flag_d2】比【ALUflag_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，并且它会被缓存到变量【ctrl_bus_index】之中。

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. ALU_flag 组节拍变量的逻辑

首先呢，我们来看 ALU_flag 的逻辑。

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
	if (sys_rst_n == 1'b0)
		ALU_flag <= 1'b0;
	else if ((new_task == 1'b1) && (ctrl_bus >= 16'd20) && (ctrl_bus < 16'd24))
		ALU_flag <= 1'b1;
	else
		ALU_flag <= 1'b0;

图7中所示，是关于 ALU_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'd20) && (ctrl_bus < 16'd24)】条件满足时，则 ALU_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【20 <= ctrl_bus < 24】，且 new_task 为 1 时，表示开启了一个新任务，这个新任务的内容，为算术逻辑操作。

想要执行算术逻辑操作，我们还需要指出，要将运算结果保存在那里。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. 内部总线与三个操作数

图8中，16行到18行，是三大内部总线，分别为内部控制总线，内部地址总线，内部数据总线。21行，是内部成功信号总线。

在这四个内部总线里面，内部控制总线、内部地址总线和内部数据总线分别有对应的代理变量，以便可以让内部总线通过其代理变量参与时序逻辑运算。而在控制中心模块里面，内部成功信号总线没有代理变量。因而，在控制中心里面，其实控制中心模块仅仅是读取这个总线的值，而并不对其开展写入操作。

图9所示，为三大内部总线的代理变量。

图10中的125到127行，分别是三大内部总线与它们的代理变量的绑定代码。

以上，我算是讲解了内部总线变量及其代理变量的情况。

在算术逻辑运算中，我们还需要关注着三个操作数变量。

图10-1所示，是控制中心模块的端口声明部分中的三个操作数变量。它们其实是对控制中心模块里面的四个内部寄存器中的前三个的绑定输出。我们看一下下面的代码。

从10-2可以看到，操作数0对应着内部寄存器0，操作数1对应着内部寄存器1，操作数2对应着内部寄存器2。

在讲解内存读写，寄存器读写的时候，我们并未讲解操作数变量与内部寄存器变量的绑定。而在讲解算术逻辑运算的时候，我们需要讲解了。这是因为，一个算术逻辑运算，他可能会涉及不同数量的操作数。一般的算术逻辑运算，它需要两个操作数，加法需要加数和被加数，乘法需要乘数和被乘数。而有的运算类型需要的仅仅是一个操作数。也有的，需要三个操作数。为了满足这不同的类型的算术逻辑运算，我统一地设置了三个操作数，将内部寄存器中的三个予以绑定输出。

六. 内部总线的逻辑

算术逻辑操作是怎么回事？

当控制中心模块的 new_task 为1，且根据控制总线的取值范围，判断出本次的操作任务是算术逻辑运算，接下来，我们就需要通过往三大内部总线写入合适的值，来向算术逻辑单元发布指令，指示算术逻辑单元【ALU.v】来进行算术逻辑操作。

我们通过关于内部总线的代码来了解，控制中心是如何向【ALU】模块发出指令的。

根据图11和图14，在系统复位与【else】分支里面，也就是说，在系统复位与闲来无事时，控制中心模块的三大内部总线代理变量均被非阻塞赋值为高阻态值。也就是说，在系统复位与闲来无事时，控制中心模块与三大内部总线是断开连接的。

关于与总线断开连接这件事，我们说过多次了。忘了的，请大家复习下述链接所示的文章。

简易CPU设计入门：本系统中的通用寄存器（四）-CSDN博客

在上面的链接的第七分解中，我讲解了总线逻辑，也讲解了，什么叫做与总线断开连接。

然后呢，根据图12，我们看到，如果在某一个时钟的上升沿到来时，系统检测到【ALU_flag == 1】条件成立，则内部控制总线代理变量与内部地址总线代理变量被赋予0值，而内部数据总线代理变量被赋予高阻态值。也就是，相当于说，控制中心模块里面的内部控制总线变量与内部地址总线变量被赋予0值，而内部数据总线变量被赋予高阻态值。此时，控制中心里面的内部控制中心总线变量与内部地址总线变量均与同名的内部总线建立了连接，而控制中心的内部数据总线变量则是与同名的内部数据总线处于断开连接的状态。

由于控制中心模块通过三大内部总线变量【ctrl_sig_iner】，【addr_sig_iner】和【data_sig_iner】与同名的三大内部总线相连，且此时仅仅可能有控制中心模块与三大内部总线保持连接，并不存在其他模块与三大内部总线保持连接的可能。所以呢，此时控制中心模块里面的内部控制总线变量和内部地址总线变量被赋予0值，就等同于内部控制总线和内部地址总线被赋予0值。而此时，控制中心模块的内部数据总线变量被赋予高阻态z值，等同于说，控制中心模块的内部数据总线变量【data_sig_inner】与同名的内部数据总线是断开连接的。

我们再往下看。

根据图13，如果在某一个时钟的上升沿到来时，系统检测到【ALU_flag_d1 == 1】条件成立，则则三大内部总线代理变量被分别赋予各自的有效值。

我们先来看内部控制总线的情况，【ctrl_bus_represent <= 16'h0010;】。这一行的含义，如果你是一路跟着我的专栏学习过来的，那么，它对你来讲，应该是不难理解的。

/*********************************************
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。
************************************************/

【ctrl_bus_represent】是【ctrl_sig_inner】的代理变量。【ctrl_bus_represent】被赋值为【16'h0010】，相当于是将【ctrl_sig_inner】总线赋值为【16'h0010】。【16'h0010】这个数，它一共是有16位，其中只有位4为1，其余都是0值。根据图15，当【ctrl_sig_inner】总线的位4为1，而其余都是0值，这表示说，控制中心模块发布了算术逻辑运算信号。

所以呢，图13里面的475行代码，它的意思就是，通过向内部控制总线写入【16'h0010】，向算术逻辑单元发布算术逻辑运算信号。

在发布算术逻辑运算信号的同时，我们需要告诉算术逻辑单元，本次要去进行算术逻辑运算的类型是什么。我们要去进行加法运算呢？还是逻辑移位运算呢？还是按位与、按位或的运算呢？图13的476行代码指示了这一点。

addr_bus_represent <= addr_bus_buf;

在当初，new_task 为 1 时，控制中心模块将三大系统总线的值都给缓存下来了。对于算术逻辑操作来讲，地址总线的有效值，代表了本次要去进行的算术逻辑运算的类型。如同一个值代表算术加法，某一个值代表着逻辑左移，等等。我们在 new_task 为 1 时，将地址总线的有效值缓存到了 addr_bus_buf 里面，而在图13中的 476 行，我们又将这个地址值通过【addr_bus_represent】传给【addr_sig_inner】总线，进而传递给算术逻辑单元【ALU】。

在算术逻辑运算的输入参数中，不需要内部地址总线的参与，因此，在图13的477行，我们为内部地址总线代理变量赋予了高阻态值。

data_bus_represent <= 16'hz;

七. 实例化算术逻辑单元与操作时序梳理

关于算术逻辑单元【ALU】的实例化代码，我们以前讲过，参考下图所示的文章链接。

简易CPU设计入门：算术逻辑单元（一）-CSDN博客

接下来，我们来梳理一下内存写操作的操作时序。

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【20 <= ctrl_bus < 24】。

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】。对于算术逻辑操作来讲，算术逻辑运算的运算结果，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。当本次的算术逻辑操作完成了以后，【inner_reg[ctrl_bus_index]】里面，会保存本次算术逻辑操作的运算结果。

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

在【ALU_flag == 1】条件满足之时，我们要准备向算术逻辑单元【ALU】发布关于算术逻辑操作的相关信号。

在1号时钟上升沿的非阻塞赋值阶段，根据图12，我们通过对三大内部总线信号的代理变量的非阻塞赋值，向三大内部总线传递0值或高阻态值。

在1号时钟上升沿的非阻塞赋值阶段，根据图4，【ALU_flag_d1】会被非阻塞赋值为1。

（三）2号时钟上升沿

在2号时钟上升沿，系统检测到【ALU_flag_d1 == 1】。

在【ALU_flag_d1 == 1】条件满足之时，我们要正式向算术逻辑单元【ALU】发布关于内存写操作的相关信号。

在2号时钟上升沿的非阻塞赋值阶段，根据图13，我们通过对三大内部总线的代理变量的非阻塞赋值，分别向三大内部总线传递各自的信号，以开展算术逻辑操作方面的工作。

通过【ctrl_bus_represent <= 16'h0010;】，我们向内部控制信号总线写入了一个只有位4为1，而其余位均为0的值。写入这个值，就表示说，控制中心在向算术逻辑单元发布算术逻辑运算信号。

通过【addr_bus_represent <= addr_bus_buf;】，我们向内部地址信号总线写入有效的算术逻辑运算类型值，它是我们本次要去进行的算术逻辑运算的类型。早在0号上升沿的非阻塞赋值阶段，我们将地址总线【addr_bus】里面的地址值，存入了【addr_bus_buf】之中。由此，【addr_bus_buf】中就保存了本次的算术逻辑操作的运算类型值。而在此时，在2号时钟上升沿的非阻塞赋值阶段，我们要将【addr_bus_buf】里面保存的算术逻辑运算类型值，写入内部地址总线【addr_sig_inner】之中。

通过【data_bus_represent <= 16'hz;】，我们将控制中心模块的内部数据总线代理变量【data_bus_represent】所对应的，控制中心模块的内部总线变量【data_sig_inner】，设置为与同名的内部总线【data_sig_inner】保持在断开连接的状态。

（四）3号时钟上升沿

在这一时钟上升沿，系统会检测到。【ALU_flag】和【ALU_flag_d1】均为0值。在这一上升沿之后的非阻塞赋值阶段，三大内部信号总线的代理变量均被赋予了高阻态z值，因此，控制中心模块的三大内部信号总线变量也都会被赋值为高阻态z值，因此，控制中心模块会与同名的【ctrl_sig_inner】总线、【addr_sig_inner】总线和【data_sig_inner】总线断开连接。此时，三大总线没有与之连接的线路，因此，也都处于高阻态状态。

从本时钟上升沿开始，系统将进行算术逻辑运算工作。这是【ALU】模块的工作。在进行完了算术逻辑运算工作以后，在某一个时钟的上升沿，控制中心模块会检测到内部总线变量，【work_ok_inner】，会变为有效的高电平。这时，控制中心模块进行一番处理。

处理如下图所示。

如图16所示，当检测到内部总线，成功完成信号【work_ok_inner】为有效的高电平，且控制总线缓存值为【20 <= ctrl_bus_buf < 24】时，此时算术逻辑单元完成了算术逻辑运算，且运算结果保存在内部数据总线【data_sig_inner】里面。那么，我们就将这个内部数据总线【data_sig_inner】中的运算结果给保存下来，保存在某一个内部寄存器里面，索引号由【ctrl_bus_index】来指定。

这便是图16中的代码的功能。

另外，我们还可以看一看关于内部寄存器的其他的逻辑代码。

根据图17，在系统复位时，四个内部寄存器被赋予0值。根据图19，四个内部寄存器在处于【else】分支时，也就是闲来无事时，会保持现有值不变。而根据图18，在操作类型为算术逻辑操作，且成功完成之时，则需要将内部数据总线【data_sig_inner】上面的值保存在以【ctrl_bus_index】为索引号的内部寄存器【inner_reg】之中。