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简易CPU设计入门：控制总线的剩余信号（四）

news 来源：原创 2025/5/18 10:30:11

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

经过前面的讲解，控制总线的各路控制信号，我已经是讲得差不多了。

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，是控制总线的全部控制信号。我们之前讲了一部分，它们是【0 <= ctrl_bus < 28】的范围的信号。

这样一来，我们所剩下的，就只有指示停机的控制信号了。

本节，我们要去讲解的，便是用来指示停机的控制信号。

一. 系统总线与内部寄存器

本节所要讲解的东西，主要是跟停机信号有关。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. stop_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，【stop_flag】是主要的变量，【stop_flag_d1】比【stop_flag】延后一个时钟周期，【stop_flag_d2】比【stop_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，【stop_flag】是主要的变量，【stop_flag_d1】比【stop_flag】延后一个时钟周期，【stop_flag_d2】比【stop_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。对于停机指令而言，这个索引号，是为了在将来作为一个扩展，以指定停机方式。不过，目前，在代码逻辑方面，我并未针对停机指令的停机方式，作出任何规定，而只是将这个索引号给缓存了下来。

四. stop_flag 组节拍变量的逻辑

首先呢，我们来看 stop_flag 的逻辑。

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if (sys_rst_n == 1'b0)stop_flag <= 1'b0;else if ((new_task == 1'b1) && (ctrl_bus >= 16'd28) && (ctrl_bus < 16'd32))stop_flag <= 1'b1;elsestop_flag <= 1'b0;

图7中所示，是关于 stop_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'd28) && (ctrl_bus < 16'd32)】条件满足时，则 stop_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【28 <= ctrl_bus < 32】，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。

想要执行停机操作，我们还需要指出，停机的方式是什么。那么，这个用来表示停机方式的数据在哪里呢？这个数据，目前是保存在地址总线变量的位1和位0，保存在【ctrl_bus[1:0]】之中，相当于内部寄存器的有效索引号。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，引用这个停机方式。

五. 指示停机

根据图8，我们可以了解到【exe_running】变量的逻辑。

根据165行与166行的代码，当系统复位时，【exe_running】变量被赋予 0 值。而根据171和172行代码，在【else】分支里面，也就是闲来无事之时，【exe_running】保持现有值不变。

根据167和168行代码，当【init_done】为1，也就是完成了系统初始化工作的时候，exe_running

会变为1。此时，【exe_running】从系统复位时候的 0 值第一次变为 1 值。

然后呢，根据169到170行的代码，当【stop_flag】为 1 时，【exe_running】会变为 0 值。

【exe_running】变为 0 值，表示CPU停止运行，结束运行状态。那么，当【exe_running】变为 0 时，CPU 的运行会发生什么变化呢？

对于图9，我们看到，在406到407行里面，当【exe_running】变为0时，指令指针寄存器 ip 会被清零。我们再看。

在图10之中，我们看一看【get_inst_en】的逻辑。

根据175和176行的代码，在系统复位时，取指令使能信号【get_inst_en】被清零。根据181行和182行代码，在【else】分支里面，也就是在闲来无事之时，取指令使能信号【get_inst_en】也是被清零了。

何时变为1呢？第1种情况，根据177和178行代码，当检测到【init_done】为1时，也就是，系统初始化工作完成了的时候，取指令使能信号【get_inst_en】会变为1。初始化完成是在系统复位以后。系统复位时，取指令使能信号【get_inst_en】被赋予 0 值。而在完成了系统初始化工作以后，取指令使能信号【get_inst_en】又被赋予1值，且是第1次被赋予1值。接下来，很快地，系统会处于【else】分支，也就是，取指令使能信号【get_inst_en】很快地又会变为0值。取指令使能信号【get_inst_en】为1的时间，仅仅是一个时钟周期而已。

第2种情况，根据179和180行代码，当【job_ok_d1 == 1 && exe_running == 1】条件满足之时，取指令使能信号【get_inst_en】才会被赋予1值。那么，如果我们破坏了第2种情况的成立条件，让【exe_running】为0，结果会如何？结果就是，179行的条件得不到满足，系统会一直处于181行的【else】分支的情况，因此，取指令使能信号【get_inst_en】会一直为0，不会再变为1值。

综上所述，当我们执行了停机指令，致使【exe_running】变为0值，这会导致两个结果。第1，指令指针寄存器 ip 被清零。第2，取指令使能信号【get_inst_en】会一直为0，也就是，系统不会再去取指令了。不去取指令，当然也就不会有译码与执行了，此时，CPU就真的是停止了。

结束语

到了这里，我想，我们又算是完成了一个不错的任务了。

对控制总线的控制信号的讲解，我认为是一件比较麻烦的事情。

好在，我这里，可以通过复制加修改的方法，来开展着写作。但是呢，在你那里，学习效果如何，我就不知道了。希望你能够学习好这一块的知识。

CPU的设计，是一个有趣的事情。