開放電腦計畫 (12) – 使用區塊式方法設計 MCU0 的 Verilog 程式 (作者：陳鍾誠)
前言
我們曾經在下列文章中設計出了 MCU0 迷你版這個只有六個指令的微控制器，整個實作只有 51 行。
但是、上述程式雖然簡單，但卻是採用流程式的寫法。雖然、筆者不覺得流程式的寫法有甚麼特別的缺陷，但是對那些習慣採用硬體角度設計 Verilog 程式的人而言，似乎採用「區塊式的設計方式」才是正統，所以、筆者將於本文中採用「區塊式的方式重新設計」MCU0 迷你版，以便能學習「硬體設計者」的思考方式。
MCU0 迷你版的指令表
為了方便讀者閱讀，不需要查閱前文，我們再次列出了 MCU0 迷你版的指令表如下：
| OP | name | 格式 意 | 義 |
|---|---|---|---|
| 0 | LD | LD C | A = [C] |
| 1 | ADD | ADD C | A = A + [C] |
| 2 | JMP | JMP C | PC = C |
| 3 | ST | ST C | [C] = A |
| 4 | CMP | CMP C | SW = A CMP [C] |
| 5 | JEQ | JEQ C | if SW[30]=Z=1 then PC = C |
MCU0 迷你版的區塊設計圖
在MCU0 迷你版裏，總共有三個暫存器，分別是 A, PC 與 SW，一個具有兩組讀取 (i1/d1, i2/d2) 與一組寫入的記憶體 (wi/wd)，還有一個算術邏輯單元 ALU，這個電路的設計圖如下。
圖、MCU0bm 的區塊設計圖
由於筆者不熟悉數位電路設計的繪圖軟體，因此就簡單的用 LibreOffice 的 Impress 繪製了上圖，純粹採用區塊表達法，並沒有使用標準的數位電路設計圖示。
原始碼
根據上圖，我們設計出了下列 Verilog 程式，您應該可以很清楚的找出程式與圖形之間的對應關係。
module memory(input w, input [11:0] wi, input [15:0] wd, input [11:0] i1, output [15:0] d1, input [11:0] i2, output [15:0] d2);
integer i;
reg [7:0] m[0:2**12-1];
initial begin
$readmemh("mcu0m.hex", m);
for (i=0; i < 32; i=i+2) begin
$display("%x: %x", i, {m[i], m[i+1]});
end
end
assign d1 = {m[i1], m[i1+1]};
assign d2 = {m[i2], m[i2+1]};
always @(w) begin
if (w) {m[wi], m[wi+1]} = wd;
end
endmodule
module adder#(parameter W=16)(input [W-1:0] a, input [W-1:0] b, output [W-1:0] c);
assign c = a + b;
endmodule
module register#(parameter W=16)(input clock, w, input [W-1:0] ri, output [W-1:0] ro);
reg [W-1:0] r;
always @(posedge clock) begin
if (w) r = ri;
end
assign ro=r;
endmodule
module alu(input [3:0] op, input [15:0] a, input [15:0] b, output reg [15:0] c);
parameter [3:0] ZERO=4'h0, ADD=4'h1, CMP=4'he, APASS=4'hf;
always @(*) begin
case (op)
ADD: c = a+b;
CMP: begin c[15]=(a < b); c[14]=(a==b); c[13:0]=14'h0; end
APASS: c = a;
default: c = 0;
endcase
end
endmodule
module mux#(parameter W=16)(input sel, input [W-1:0] i0, i1, output [W-1:0] o);
assign o=(sel)?i1:i0;
endmodule
`define OP ir[15:12]
`define C ir[11:0]
`define N SW.r[15]
`define Z SW.r[14]
module mcu(input clock);
parameter [3:0] LD=4'h0,ADD=4'h1,JMP=4'h2,ST=4'h3,CMP=4'h4,JEQ=4'h5;
reg mw, aw, pcmux, sww;
reg [3:0] aluop;
wire [11:0] pco, pci, pcnext;
wire [15:0] aluout, ao, swo, ir, mo;
register#(.W(12)) PC(clock, 1, pci, pco);
adder#(.W(12)) adder0(2, pco, pcnext);
memory mem(mw, `C, ao, pco[11:0], ir, `C, mo);
register#(.W(16)) A(~clock, aw, aluout, ao);
register#(.W(16)) SW(~clock, sww, aluout, swo);
alu alu0(aluop, mo, ao, aluout);
mux#(.W(12)) muxpc(pcmux, pcnext, `C, pci);
initial begin
PC.r = 0; SW.r = 0; mw = 0; aw = 0; pcmux=0; sww=0; aluop=alu0.ZERO;
end
always @(ir or mo or A.r) begin
mw = 0;
aw = 0;
sww = 0;
pcmux = 0;
aluop = alu0.ZERO;
case (`OP)
LD: begin aw=1; aluop=alu0.APASS; end // LD C
ST: mw=1; // ST C
JMP: pcmux=1; // JMP C
JEQ: if (`Z) pcmux=1; // JEQ C
CMP: begin sww=1; aluop = alu0.CMP; end // CMP C
ADD: begin aw=1; aluop=alu0.ADD; end // ADD C
endcase
end
endmodule
module main; // 測試程式開始
reg clock; // 時脈 clock 變數
mcu mcu0(clock);
initial begin
clock = 0;
$monitor("%4dns pc=%x ir=%x mo=%x sw=%x a=%d mw=%b aluout=%x", $stime, mcu0.PC.r, mcu0.ir, mcu0.mo, mcu0.SW.r, mcu0.A.r, mcu0.mw, mcu0.aluout);
#1000 $finish;
end
always #5 begin
clock=~clock; // 每隔 5ns 反相，時脈週期為 10ns
end
endmodule輸入的機器碼 mcu0m.hex
為了測試上述程式，我們同樣採用了計算 SUM=1+2+...+10 的這個程式作為輸入，以下是機器碼與對應的組合語言程式。
00 16 // 00 LOOP: LD I
40 1A // 02 CMP N
50 12 // 04 JEQ EXIT
10 18 // 06 ADD K1
30 16 // 08 ST I
00 14 // 0A LD SUM
10 16 // 0C ADD I
30 14 // 0E ST SUM
20 00 // 10 JMP LOOP
20 12 // 12 EXIT: JMP EXIT
00 00 // 14 SUM: WORD 0
00 00 // 16 I: WORD 0
00 01 // 18 K1: WORD 1
00 0A // 1A N: WORD 10 執行結果
編寫完成之後，我們就可以測試整個 mcu0bm.v 程式了，其執行結果如下所示。
C:\Dropbox\Public\web\oc\code\mcu0>iverilog mcu0bm.v -o mcu0bm
C:\Dropbox\Public\web\oc\code\mcu0>vvp mcu0bm
WARNING: mcu0bm.v:5: $readmemh(mcu0m.hex): Not enough words in the file for the
requested range [0:4095].
00000000: 0016
00000002: 401a
00000004: 5012
00000006: 1018
00000008: 3016
0000000a: 0014
0000000c: 1016
0000000e: 3014
00000010: 2000
00000012: 2012
00000014: 0000
00000016: 0000
00000018: 0001
0000001a: 000a
0000001c: xxxx
0000001e: xxxx
0ns pc=000 ir=0016 mo=0000 sw=0000 a= 0 mw=0 aluout=0000
5ns pc=002 ir=401a mo=000a sw=0000 a= 0 mw=0 aluout=0000
15ns pc=004 ir=5012 mo=2012 sw=0000 a= 0 mw=0 aluout=0000
25ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 0 mw=0 aluout=0001
30ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 1 mw=0 aluout=0002
35ns pc=008 ir=3016 mo=0001 sw=0000 a= 1 mw=1 aluout=0000
45ns pc=00a ir=0014 mo=0000 sw=0000 a= 1 mw=0 aluout=0000
50ns pc=00a ir=0014 mo=0000 sw=0000 a= 0 mw=0 aluout=0000
55ns pc=00c ir=1016 mo=0001 sw=0000 a= 0 mw=0 aluout=0001
60ns pc=00c ir=1016 mo=0001 sw=0000 a= 1 mw=0 aluout=0002
65ns pc=00e ir=3014 mo=0001 sw=0000 a= 1 mw=1 aluout=0000
75ns pc=010 ir=2000 mo=0016 sw=0000 a= 1 mw=0 aluout=0000
85ns pc=000 ir=0016 mo=0001 sw=0000 a= 1 mw=0 aluout=0001
95ns pc=002 ir=401a mo=000a sw=0000 a= 1 mw=0 aluout=0000
105ns pc=004 ir=5012 mo=2012 sw=0000 a= 1 mw=0 aluout=0000
115ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 1 mw=0 aluout=0002
120ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 2 mw=0 aluout=0003
125ns pc=008 ir=3016 mo=0002 sw=0000 a= 2 mw=1 aluout=0000
135ns pc=00a ir=0014 mo=0001 sw=0000 a= 2 mw=0 aluout=0001
140ns pc=00a ir=0014 mo=0001 sw=0000 a= 1 mw=0 aluout=0001
145ns pc=00c ir=1016 mo=0002 sw=0000 a= 1 mw=0 aluout=0003
150ns pc=00c ir=1016 mo=0002 sw=0000 a= 3 mw=0 aluout=0005
155ns pc=00e ir=3014 mo=0003 sw=0000 a= 3 mw=1 aluout=0000
165ns pc=010 ir=2000 mo=0016 sw=0000 a= 3 mw=0 aluout=0000
175ns pc=000 ir=0016 mo=0002 sw=0000 a= 3 mw=0 aluout=0002
180ns pc=000 ir=0016 mo=0002 sw=0000 a= 2 mw=0 aluout=0002
185ns pc=002 ir=401a mo=000a sw=0000 a= 2 mw=0 aluout=0000
195ns pc=004 ir=5012 mo=2012 sw=0000 a= 2 mw=0 aluout=0000
205ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 2 mw=0 aluout=0003
210ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 3 mw=0 aluout=0004
215ns pc=008 ir=3016 mo=0003 sw=0000 a= 3 mw=1 aluout=0000
225ns pc=00a ir=0014 mo=0003 sw=0000 a= 3 mw=0 aluout=0003
235ns pc=00c ir=1016 mo=0003 sw=0000 a= 3 mw=0 aluout=0006
240ns pc=00c ir=1016 mo=0003 sw=0000 a= 6 mw=0 aluout=0009
245ns pc=00e ir=3014 mo=0006 sw=0000 a= 6 mw=1 aluout=0000
255ns pc=010 ir=2000 mo=0016 sw=0000 a= 6 mw=0 aluout=0000
265ns pc=000 ir=0016 mo=0003 sw=0000 a= 6 mw=0 aluout=0003
270ns pc=000 ir=0016 mo=0003 sw=0000 a= 3 mw=0 aluout=0003
275ns pc=002 ir=401a mo=000a sw=0000 a= 3 mw=0 aluout=0000
285ns pc=004 ir=5012 mo=2012 sw=0000 a= 3 mw=0 aluout=0000
295ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 3 mw=0 aluout=0004
300ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 4 mw=0 aluout=0005
305ns pc=008 ir=3016 mo=0004 sw=0000 a= 4 mw=1 aluout=0000
315ns pc=00a ir=0014 mo=0006 sw=0000 a= 4 mw=0 aluout=0006
320ns pc=00a ir=0014 mo=0006 sw=0000 a= 6 mw=0 aluout=0006
325ns pc=00c ir=1016 mo=0004 sw=0000 a= 6 mw=0 aluout=000a
330ns pc=00c ir=1016 mo=0004 sw=0000 a= 10 mw=0 aluout=000e
335ns pc=00e ir=3014 mo=000a sw=0000 a= 10 mw=1 aluout=0000
345ns pc=010 ir=2000 mo=0016 sw=0000 a= 10 mw=0 aluout=0000
355ns pc=000 ir=0016 mo=0004 sw=0000 a= 10 mw=0 aluout=0004
360ns pc=000 ir=0016 mo=0004 sw=0000 a= 4 mw=0 aluout=0004
365ns pc=002 ir=401a mo=000a sw=0000 a= 4 mw=0 aluout=0000
375ns pc=004 ir=5012 mo=2012 sw=0000 a= 4 mw=0 aluout=0000
385ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 4 mw=0 aluout=0005
390ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 5 mw=0 aluout=0006
395ns pc=008 ir=3016 mo=0005 sw=0000 a= 5 mw=1 aluout=0000
405ns pc=00a ir=0014 mo=000a sw=0000 a= 5 mw=0 aluout=000a
410ns pc=00a ir=0014 mo=000a sw=0000 a= 10 mw=0 aluout=000a
415ns pc=00c ir=1016 mo=0005 sw=0000 a= 10 mw=0 aluout=000f
420ns pc=00c ir=1016 mo=0005 sw=0000 a= 15 mw=0 aluout=0014
425ns pc=00e ir=3014 mo=000f sw=0000 a= 15 mw=1 aluout=0000
435ns pc=010 ir=2000 mo=0016 sw=0000 a= 15 mw=0 aluout=0000
445ns pc=000 ir=0016 mo=0005 sw=0000 a= 15 mw=0 aluout=0005
450ns pc=000 ir=0016 mo=0005 sw=0000 a= 5 mw=0 aluout=0005
455ns pc=002 ir=401a mo=000a sw=0000 a= 5 mw=0 aluout=0000
465ns pc=004 ir=5012 mo=2012 sw=0000 a= 5 mw=0 aluout=0000
475ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 5 mw=0 aluout=0006
480ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 6 mw=0 aluout=0007
485ns pc=008 ir=3016 mo=0006 sw=0000 a= 6 mw=1 aluout=0000
495ns pc=00a ir=0014 mo=000f sw=0000 a= 6 mw=0 aluout=000f
500ns pc=00a ir=0014 mo=000f sw=0000 a= 15 mw=0 aluout=000f
505ns pc=00c ir=1016 mo=0006 sw=0000 a= 15 mw=0 aluout=0015
510ns pc=00c ir=1016 mo=0006 sw=0000 a= 21 mw=0 aluout=001b
515ns pc=00e ir=3014 mo=0015 sw=0000 a= 21 mw=1 aluout=0000
525ns pc=010 ir=2000 mo=0016 sw=0000 a= 21 mw=0 aluout=0000
535ns pc=000 ir=0016 mo=0006 sw=0000 a= 21 mw=0 aluout=0006
540ns pc=000 ir=0016 mo=0006 sw=0000 a= 6 mw=0 aluout=0006
545ns pc=002 ir=401a mo=000a sw=0000 a= 6 mw=0 aluout=0000
555ns pc=004 ir=5012 mo=2012 sw=0000 a= 6 mw=0 aluout=0000
565ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 6 mw=0 aluout=0007
570ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 7 mw=0 aluout=0008
575ns pc=008 ir=3016 mo=0007 sw=0000 a= 7 mw=1 aluout=0000
585ns pc=00a ir=0014 mo=0015 sw=0000 a= 7 mw=0 aluout=0015
590ns pc=00a ir=0014 mo=0015 sw=0000 a= 21 mw=0 aluout=0015
595ns pc=00c ir=1016 mo=0007 sw=0000 a= 21 mw=0 aluout=001c
600ns pc=00c ir=1016 mo=0007 sw=0000 a= 28 mw=0 aluout=0023
605ns pc=00e ir=3014 mo=001c sw=0000 a= 28 mw=1 aluout=0000
615ns pc=010 ir=2000 mo=0016 sw=0000 a= 28 mw=0 aluout=0000
625ns pc=000 ir=0016 mo=0007 sw=0000 a= 28 mw=0 aluout=0007
630ns pc=000 ir=0016 mo=0007 sw=0000 a= 7 mw=0 aluout=0007
635ns pc=002 ir=401a mo=000a sw=0000 a= 7 mw=0 aluout=0000
645ns pc=004 ir=5012 mo=2012 sw=0000 a= 7 mw=0 aluout=0000
655ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 7 mw=0 aluout=0008
660ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 8 mw=0 aluout=0009
665ns pc=008 ir=3016 mo=0008 sw=0000 a= 8 mw=1 aluout=0000
675ns pc=00a ir=0014 mo=001c sw=0000 a= 8 mw=0 aluout=001c
680ns pc=00a ir=0014 mo=001c sw=0000 a= 28 mw=0 aluout=001c
685ns pc=00c ir=1016 mo=0008 sw=0000 a= 28 mw=0 aluout=0024
690ns pc=00c ir=1016 mo=0008 sw=0000 a= 36 mw=0 aluout=002c
695ns pc=00e ir=3014 mo=0024 sw=0000 a= 36 mw=1 aluout=0000
705ns pc=010 ir=2000 mo=0016 sw=0000 a= 36 mw=0 aluout=0000
715ns pc=000 ir=0016 mo=0008 sw=0000 a= 36 mw=0 aluout=0008
720ns pc=000 ir=0016 mo=0008 sw=0000 a= 8 mw=0 aluout=0008
725ns pc=002 ir=401a mo=000a sw=0000 a= 8 mw=0 aluout=0000
735ns pc=004 ir=5012 mo=2012 sw=0000 a= 8 mw=0 aluout=0000
745ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 8 mw=0 aluout=0009
750ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 9 mw=0 aluout=000a
755ns pc=008 ir=3016 mo=0009 sw=0000 a= 9 mw=1 aluout=0000
765ns pc=00a ir=0014 mo=0024 sw=0000 a= 9 mw=0 aluout=0024
770ns pc=00a ir=0014 mo=0024 sw=0000 a= 36 mw=0 aluout=0024
775ns pc=00c ir=1016 mo=0009 sw=0000 a= 36 mw=0 aluout=002d
780ns pc=00c ir=1016 mo=0009 sw=0000 a= 45 mw=0 aluout=0036
785ns pc=00e ir=3014 mo=002d sw=0000 a= 45 mw=1 aluout=0000
795ns pc=010 ir=2000 mo=0016 sw=0000 a= 45 mw=0 aluout=0000
805ns pc=000 ir=0016 mo=0009 sw=0000 a= 45 mw=0 aluout=0009
810ns pc=000 ir=0016 mo=0009 sw=0000 a= 9 mw=0 aluout=0009
815ns pc=002 ir=401a mo=000a sw=0000 a= 9 mw=0 aluout=0000
825ns pc=004 ir=5012 mo=2012 sw=0000 a= 9 mw=0 aluout=0000
835ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 9 mw=0 aluout=000a
840ns pc=006 ir=1018 mo=0001 sw=0000 a= 10 mw=0 aluout=000b
845ns pc=008 ir=3016 mo=000a sw=0000 a= 10 mw=1 aluout=0000
855ns pc=00a ir=0014 mo=002d sw=0000 a= 10 mw=0 aluout=002d
860ns pc=00a ir=0014 mo=002d sw=0000 a= 45 mw=0 aluout=002d
865ns pc=00c ir=1016 mo=000a sw=0000 a= 45 mw=0 aluout=0037
870ns pc=00c ir=1016 mo=000a sw=0000 a= 55 mw=0 aluout=0041
875ns pc=00e ir=3014 mo=0037 sw=0000 a= 55 mw=1 aluout=0000
885ns pc=010 ir=2000 mo=0016 sw=0000 a= 55 mw=0 aluout=0000
895ns pc=000 ir=0016 mo=000a sw=0000 a= 55 mw=0 aluout=000a
900ns pc=000 ir=0016 mo=000a sw=0000 a= 10 mw=0 aluout=000a
905ns pc=002 ir=401a mo=000a sw=0000 a= 10 mw=0 aluout=4000
910ns pc=002 ir=401a mo=000a sw=4000 a= 10 mw=0 aluout=4000
915ns pc=004 ir=5012 mo=2012 sw=4000 a= 10 mw=0 aluout=0000
925ns pc=012 ir=2012 mo=2012 sw=4000 a= 10 mw=0 aluout=0000您可以清楚的看到，該程式在 870ns 時計算出了總合 SUM=55 的結果，這代表 mcu0bm.v 的設計完成了計算 1+...+10 的功能。
結語
在上述實作中，採用區塊式設計的 mcu0bm.v 總共有 98 行，比起同樣功能的流程式設計 mcu0m.v 的 51 行多了將近一倍，而且程式的設計難度感覺高了不少，但是我們可以很清楚的掌握到整個設計的硬體結構，這是採用流程式設計所難以確定的。
當然、由於筆者是「程式人員」，並非硬體設計人員，因此比較喜歡採用流程式的設計方式。不過採用了區塊式設計法設計出 mcu0bm.v 之後，也逐漸開始能理解這種「硬體導向」的設計方式，這大概是我在撰寫本程式時最大的收穫了。