利用SystemVerilog语言编写FPGA 实现picoMIPS并且能够进行仿射变换的计算

• 使用的软件及版本

  • quartus II 13.1
  • modelsim SE 10.4
  • vscode

• 使用的语言

  • systemVerilog

picoMIPS架构

组件

• PC(Program Counter) : 程序计数器

  • PC的主要功能是取memory中的数据。
  • 输入: 时钟clk, 复位reset, 是否对输出加1(向下一个指令移动)PCincr
  • 输出: PCout
  • 实现文件: pc.sv

• Prog( Program memory): 程序内存，存放指令

  • 输入： address
  • 输出： 指令
  • 实现文件: prog.sv

• Decoder: 解码器 : 用于解析指令给ALU使用

  • 所需5个指令 所以需要3bits的操作数
    • load : 加载数据到寄存器
    • add : 加寄存器中的两个数字
    • addI : 加立即数
    • MULI : 乘立即数
    • NOP : 什么也不干
  • 输入: operation_code
  • 输出: ALUFunc(add,mul),imm(ALU是否读取立即数),write(是否写入寄存器)
  • 实现文件: decoder.sv

• Regs: 寄存器 : 主要功能是存储中间数据

  • 输入:
    • 两个输入地址
    • 一个write写入标识
    • 一个wdata写入数据
  • 输出: 两个输出数据
  • 实现文件: regs.sv

• ALU: 逻辑计算单元

  • ALU函数一共有三个
    • ADD: 加法 10
    • MUL: 乘法 11
    • Always B : 永远输出B 00
  • 输入: 有符号的a,b输入，ALUFunc
  • 输出: result
  • 实现文件: alu.sv

验证波形图

// 指令LOAD测试
10000100000000001 // LOAD %1 %0 1 加载数字1到1号寄存器
10001000000000010 // LOAD %2 &0 2 加载数字2到2号寄存器
// 测试加法
01001000100000000 // ADD %2 %1   %2 = %2+%1  加法 将2号和1号加起来给2号
// 测试加立即数
11001000000000011 //ADDI %2 %0 3  此时%2应该是6
00000000000000000 // NOP 清空

第一版本

// 指令LOAD测试
00000000000000000 // NOP 清空
10000100000000001 // LOAD %1 %0 1 加载数字1到1号寄存器
00000000000000000 // NOP 清空
10001000000000010 // LOAD %2 &0 2 加载数字2到2号寄存器
// 测试加法
01001000100000000 // ADD %2 %1   %2 = %2+%1  加法 将2号和1号加起来给2号
// 测试加立即数
11001000000000011 //ADDI %2 %0 3  此时%2应该是6
// 测试乘法
11101000001100000 // MULI %2 %0 0.75 得出的结果应该是 4.5  00000100 只取整数部分

正常计算版本

// 测试版本 只用于检测程序是否有效
//  | x2 |        | x1 |
//  | y2 |  = A * | y1 | + B
//   
//   A = | 0.75  0.5 |   B = | 20 |
//       | -0.5  0.75|       | -20 |   A与B是系数  是固定的，执行特定的仿射变换
// 

// 指令LOAD测试
00000000000000000 // NOP 清空
10000100000000001 // LOAD %1 %0 0 加载sw到1号寄存器
00000000000000000 // NOP 清空
10001000000000010 // LOAD %2 &0 2 加载sw到2号寄存器
11101100101100000  //19960//MULI %3, %1, 0.75; // %3 = X1*0.75
11110001001000000  //1A240//MULI %4, %2, 0.5;	// %4 = Y1*0.5	
01001110000000000  //05C00//ADD  %3, %4;       //%3 = %3+%4
11110100111000000  //19AC0//MULI %5, %1, -0.5; //%5 = X1*(-0.5)
11111001001100000  //1B260//MULI %6, %2, 0.75;	//%6 = Y1*0.75	
01010111000000000  //06E00//ADD  %5, %6;       //%5 = %5+%6    目前为止%3 存 0.75 * x1 + 0.5*y1   %5 存 -0.5 * x1 + 0.75 * y1
11001101100010100  //15B14//ADDI %3, %3, 20;   //%3 = %3+20 + 系数 B
11010110111101100  //16DEC//ADDI %5, %5, -20;  //%5 = %5-20 + 系数 B
00000000000000000

改进

• 去掉零号机寄存器减少操作 去掉后寄存器的数量并没有变化，大概是本来就没有用到被优化了吧
• 去掉加或者乘imm 直接去掉sv文件里面的ADDI与MULI指令， 毕竟这种写指令的方式浪费指令增加了ADDI与MULI 同时还增加了代码行数