简易CPU设计入门：取指令（一），端口列表与变量声明

取指令这一块呢，个人觉得，不太好讲。但是呢，不好讲，我也得讲啊。那就尽量地讲吧。如果讲得不好的话，那么，欢迎大家提出好的意见，帮助我改进讲课的质量。

首先呢，还是请大家去下载本专栏所需要用到的项目源代码。

点击下方链接，以学习下载项目源代码的方法。

下载本项目代码

然后呢，我们来看本节的内容。

我们本节和接下来的一些课节，应该都是去讲取指令的。取指令的部分，位于【\cpu_me01\code】路径里面的【get_instruct.v】代码文件中。

本节呢，我先把这一代码文件中的所有的代码，都给贴在下面的代码块中。大家先整体浏览一下就行。里面的内容呢，我会一点一点地去讲解的。

module get_instruct
(
	input wire sys_clk,
	input wire sys_rst_n,
	input wire get_inst_en,
	input wire [15:0] ip,
	
	output reg decode_en,
	output reg [15:0] instruct_code
);

reg [15:0] ip_buf;
wire [15:0] instruct_code_wire;

reg rd_en;
reg rd_en_d1;
reg rd_en_d2;

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
	if (sys_rst_n == 1'b0)
		ip_buf <= 16'h0;
	else if (get_inst_en == 1'b1)
		ip_buf <= ip;
	else
		ip_buf <= ip_buf;

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
	if (sys_rst_n == 1'b0)
		rd_en <= 1'b0;
	else if (get_inst_en == 1'b1)
		rd_en <= 1'b1;
	else
		rd_en <= 1'b0;

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
	if (sys_rst_n == 1'b0)
	begin
		rd_en_d1 <= 1'b0;
		rd_en_d2 <= 1'b0;
	end
	else
	begin
		rd_en_d1 <= rd_en;
		rd_en_d2 <= rd_en_d1;
	end

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
	if (sys_rst_n == 1'b0)
	begin
		decode_en <= 1'b0;
		instruct_code <= 16'h0;
	end
	else if (rd_en_d1 == 1'b1)
	begin
		decode_en <= 1'b1;
		instruct_code <= instruct_code_wire;
	end
	else
	begin
		decode_en <= 1'b0;
		instruct_code <= instruct_code;
	end

ram_disk_256x16	ram_disk_inst (
	.aclr ( ~sys_rst_n ),
	.address ( ip_buf ),
	.clock ( sys_clk ),
	.data ( 16'hz ),
	.rden ( rd_en ),
	.wren ( 1'b0 ),
	.q ( instruct_code_wire )
	);

endmodule

代码文件中的代码内容，我已经贴出来了。接下来呢，我就一点一点地来讲解了。

首先呢，我们来看看这个端口列表，以及变量的声明部分。

代码的第1行写了模块的名字，其实就是和文件名一样的东西。只不过，文件名有那个扩展名【.v】，而这个模块名呢，没有扩展名的部分。在我们的这个项目中，所有的代码文件，都是只含有一个模块，且代码文件名与模块名相同。

我自己这么写，是学习的别人的做法。我也建议大家这么做。因为，这算是一种通用的写法，大家都这么做，约定俗成 。你要是也按照这个约定俗成的规范来写的话，会方便团队合作吧。

代码的3到6行，是输入端口，都是wire型的。当然了，输入端口，肯定不能是reg型。输出端口可以是reg类型的，输入端口的话，wire型比较常见。

在声明端口类型的时候，如果端口是wire类型的，那么，wire这个关键字，其实是可以省略的。也就是说，端口声明部分，你可以像下面的示例这样子来书写。

请大家着重去看图2中的红色框线所示的部分，没有写wire这个关键字。这样子来写，它和加上wire关键字的写法，意思是一样的。

（一）对wire类型的复习

这个怎么说呢？在Verilog HDL里面，端口的类型，最常见的是两种，一种是reg型的，一种是wire型的。这两种类型最常见。在这两种最常见的类型里面呢，Verilog将端口的默认的类型，指定为wire型。所以呢，无论是输入端口，还是输出端口，还是输入输出端口，如果你既不写reg关键字，也不写wire关键字，默认地，它就相当于写上了wire关键字。

然后呢，对于输入端口和输入输出端口来讲，不可以用reg类型，而可以使用wire型。

在这里呢，我是领着大家复习了一下Verilog的基础语法。为啥领着大家复习呢？这是因为，Verilog这个硬件编程语言，其实是一个比较杂乱的东西。C语言的语法，比较简洁，也容易记住。但是Verilog不是。Verilog的语法，庞杂，乱的很。建议大家呢，还是多注意复习和整理Verilog的语法细节，时常温习。

（二）系统时钟与系统复位信号

我们来看第3行和第4行。这个呢，它就是系统时钟与系统复位信号。其中呢，系统复位信号，有一个【n】的部分，就是【sys_rst_n】中的末尾的【n】。这个n，就代表着说，它是低电平有效。也就是说，这个系统复位信号，它是在低电平的时候，才会进行复位。

关于系统时钟与系统复位信号，基本上呢，它都会是从顶层模块，就开始传下来。然后呢，在FPGA里面，大家 知道，FPGA开发板上，会有时钟引脚与复位引脚。所以呢，顶层模块的系统时钟与系统复位信号，来自于FPGA开发板上的时钟引脚和复位引脚，而其余的代码文件中的时钟与复位信号，则多是直接或者间接地，来自于顶层模块中的系统时钟与系统复位信号。

本代码文件中的时钟与复位信号，都是来自于顶层模块。

我们看一看顶层模块中的时钟与复位信号，是如何连接到本代码文件的。如下图所示。

图3与图4，都是位于顶层模块。顶层模块，位于【\cpu_me01\code】路径下的【cpu_top.v】文件中。图3的3行与4行，声明了时钟与 复位信号。然后呢，图4里面，第45行与第46行，通过命名端口连接的方式，将顶层模块的时钟与复位信号，连接到了本模块的时钟与复位信号。且信号名都是一样的。

（三）取指令使能与指令指针信号

我们还是回到图1。我这里说回到图1，对你来讲，可能有些不方便。建议你呢，可以把这个图1的图片给下载下来，随时对照着来看。这样子呢，能方便一些。回到图1，图1的第5行和第6行，则分别是取指令使能信号【get_inst_en】与指令指针信号【ip】。

这俩信号，也是通过顶层模块，来连接过来的。但是呢，它们其实并非来自顶层模块，它们的源头，其实是来自控制中心【ctrl_center】模块。

图4的47行与48行，显示了顶层模块有名为【get_inst_en】与【instruct_pointer】的变量，连接到了本模块的取指令使能信号【get_inst_en】与指令指针信号【ip】。我们再来看看顶层模块的如下的代码截图。

图5里面的11行和12行，分别是声明了wire型变量【get_inst_en】与【instruct_pointer】。这俩变量，其中的一个用途，是连接本模块的两个输入信号。我们再来看看这俩信号在顶层模块中，连接控制中心【ctrl_center】模块的情况。如下图所示。

从图6中的红色框线的部分，可以看到顶层模块的wire型变量【get_inst_en】和【instruct_pointer】与控制中心模块【ctrl_center】的连接情况。

控制中心中的取指令使能信号，是如何产生的，以及如何连接到顶层模块的，这个呢，我们之前有讲过。忘记了的，请前往下面的链接去复习回顾。

初始化完成后，准备取指令

在上面的链接里面，我讲了第一个取指令使能信号的产生情况。然而，我并未讲第一个指令指针是如何产生的。

想要取指令，需要取指令使能信号，以告诉取指令模块，要去取指令了。同时呢，也需要一个指令指针，也就是，得告诉取指令模块，要取的指令，位于哪个内存地址中。

我们还是前往控制中心模块，看一看指令指针的产生情况。

控制中心模块【ctrl_center】，位于【\cpu_me01\code\Ctrl_Center】路径下的【ctrl_center.v】里面。我们来看看下图的代码。

从图7与图8来看，控制中心中的27行与28行，声明了指令指针【ip】与取指令使能信号。在390行到409行之间，是更新【ip】的逻辑代码。

在这里呢，对于更新【ip】的逻辑，我们暂时只需要看390行到392行，和408行，409行。390行到392行，是说，在系统复位信号的作用下，【ip】清零。408行和409行是说，在【else】的条件里面，ip保持原值不变。

在这里呢，我们暂时并不涉及图8中的两个【else if】的情况。那俩情况呢，它都是CPU运行起来以后，执行某些指令的时候，所产生的情形。现在呢，CPU 还没有运行指令呢，所以不涉及这两个【else if】的情况。

在这种情况下，ip呢，在系统复位信号的作用下，已经归零。然后呢，就是归于【else】的条件，【ip】保持0值不变。

这样一来呢，【ip】这个信号，它本来是控制中心的第27行声明的一个输出端口。然后呢，经由390到392行，与408,409行代码的作用，保持0值。并且呢，它在第一个取指令使能产生后，它是把这个0值，传递到了顶层模块里面。

图6中的39行，显示了，控制中心的【ip】信号，传递给了顶层模块的【instruct_pointer】变量。然后呢，顶层模块的【instruct_pointer】变量，又在图4中的48行，传递给了本模块的【ip】变量。

这样一来呢，本模块的4个输入变量，我们就清楚了它们的来源，含义。我们也知道，取指令模块第一次运行，也就是第一次取指令的时候，指令指针【ip】的值，为0。

（四）剩余的端口与变量

我们还是去看一看图1。下面，我给出图1的副本。

接下来呢，我们来看一看第8行和第9行，它们是译码使能与取出来的指令码。

我们取出了指令以后，就把它放在第9行的变量中，从本模块传出去，传给译码模块。同时呢，也要将译码使能信号【decode_en】给传递出去。译码使能信号与第9行变量，应该是同时有效的。这个时序，必须要予以保证。

我们再来看一看第12行到第17行。

第12行，ip_buf变量，它是对输入信号【ip】的缓存。

第13行，【instruct_code_wire】，它用来连接取出的指令码，并将取出的指令码传递给第9行的输出信号。这个信号的设置，我觉得是很重要的。

第15行，是读使能信号。第16行，是将读使能信号延后一个时钟周期所产生的信号。第17行，是将读使能信号延后两个时钟周期所产生的信号。

结束语

关于取指令这一块，我估计，我需要花费好几节的时间，来讲解这一块。个人觉得，这一块，可能会不好讲。当前，我对于如何讲解这一部分的知识，思路还比较乱。

希望能够学好吧。我们都努力。