Часть I
Часть II
Часть III
Часть IV
Это полная версия предыдущей статьи, к которой добавлены тестбенчи.
Спроектируем Little Man Computer на языке Verilog.
Статья про LMC была на Хабре.
Online симулятор этого компьютера здесь.
Напишем модуль оперативной памяти (ОЗУ), состоящий из четырех (ADDR_WIDTH=2) четырёхбитных (DATA_WIDTH=4) слов. Данные загружаются в ОЗУ из data_in по адресу adr при поступлении тактового сигнала clk.
module R0 #(parameter ADDR_WIDTH = 2, DATA_WIDTH = 4) ( input clk, //тактовый сигнал input [ADDR_WIDTH-1:0] adr, //адрес input [DATA_WIDTH-1:0] data_in, //порт ввода данных output [DATA_WIDTH-1:0] RAM_out //порт вывода данных ); reg [DATA_WIDTH-1:0] mem [2**ADDR_WIDTH-1:0]; //объявляем массив mem always @(posedge clk) //при поступлении тактового сигнала clk mem [adr] <= data_in; //загружаем данные в ОЗУ из data_in assign RAM_out = mem[adr]; //назначаем RAM_out портом вывода данных endmodule
В тестбенче загрузим 0001 по адресу 00, 0010 по адресу 01, 0100 по адресу 10, 1000 по адресу 11:
Создание тестбенча
Создать новый проект, создать файлы R0.v и tR0.v (эти файлы автоматически добавятся к проекту).
Скомпилировать оба файла.
Запустить моделирование скомпилированного файла tR0.v
Скомпилировать оба файла.
Запустить моделирование скомпилированного файла tR0.v
module tR0; reg clk; reg [1:0] adr; reg [3:0] data_in; wire [3:0] RAM_out; R0 test_R0 (clk, adr, data_in,RAM_out); initial begin clk = 0; adr[0] = 0; adr[1] = 0; data_in[0] = 0; data_in[1] = 0; data_in[2] = 0; data_in[3] = 0; #5 data_in[0] = 1; #5 clk = 1; #5 adr[0] = 1; data_in[0] = 0; data_in[1] = 1; clk = 0; #5 clk = 1; #5 adr[0] = 0; adr[1] = 1; data_in[1] = 0; data_in[2] = 1; clk = 0; #5 clk = 1; #5 adr[0] = 1; adr[1] = 1; data_in[2] = 0; data_in[3] = 1; clk = 0; #5 clk = 1; #5 adr[0] = 0; adr[1] = 0; data_in[3] = 0; clk = 0; #5 adr[0] = 1; adr[1] = 0; #5 adr[0] = 0; adr[1] = 1; #5 adr[0] = 1; adr[1] = 1; #5 adr[0] = 0; adr[1] = 0; #5 adr[0] = 1; adr[1] = 0; #5 adr[0] = 0; adr[1] = 1; #5 adr[0] = 1; adr[1] = 1; #5 adr[0] = 0; adr[1] = 0; #5 adr[0] = 1; adr[1] = 0; #5 adr[0] = 0; adr[1] = 1; #5 adr[0] = 1; adr[1] = 1; end endmodule
Подключим счётчик к адресному входу ОЗУ. На вход счётчика необходимо подключить тактовый генератор.
Вот пример программы, использующей внутренний генератор ALTUFM_OSC. Частота штатного генератора 5.5 МГц (MAX II EPM240 CPLD Minimal Development Board).
module inner_Clock ( output reg LED); ALTUFM_OSC osc( .oscena(1'b1), .osc(clk)); reg signal; reg [24:0] osc_counter; reg [24:0] const_data = 25'b10110111000110110000000; initial begin signal = 1'b0; osc_counter = 25'b0; end //досчитываем до 6 000 000 и обнуляем счетчик osc_counter always @(posedge clk) begin osc_counter <= osc_counter+ 1'b1; if(osc_counter == const_data) begin signal <= ~signal; osc_counter <= 25'b0; end LED = signal; // LED мигает ~1 раз в сеунду. end endmodule
Вообще, в данной схеме можно использовать внешний генератор меандра, например КМОП таймер 555 (работающий от 3.3V) или микросхему К155ЛА3 (К155ЛА3 представляет 4 логических элемента 2И-НЕ).
Подключим таймер 555 к счётчику, подключим счётчик к адресному входу ОЗУ.
Теперь при поступлении тактового сигнала на счётчик будет происходить переход на следующую ячейку в памяти. На тактовый вход ОЗУ подключим кнопку RAM_button — данные в ОЗУ будут загружаться при нажатии на эту кнопку.
module R1 (timer555, RAM_button, data_in, RAM_out, counter); parameter ADDR_WIDTH = 2; parameter DATA_WIDTH = 4; input timer555; input RAM_button; //input [ADDR_WIDTH-1:0] adr; input [DATA_WIDTH-1:0] data_in; output [DATA_WIDTH-1:0] RAM_out; output reg [1:0] counter; // Counter always @(posedge timer555) counter <= counter + 1; // RAM wire [ADDR_WIDTH-1:0] adr; assign adr = counter; reg [DATA_WIDTH-1:0] mem [2**ADDR_WIDTH-1:0]; always @(posedge RAM_button) mem [adr] <= data_in; assign RAM_out = mem[adr]; endmodule
Вот так выглядит схема в RTL Viewer
В симуляторе ModelSim эта схема работать не будет, так как симулятору не известно начальное значение регистров counter[1:0].
Работоспособность схемы можно проверить, непосредственно загрузив программу в ПЛИС.
Далее, добавим в счетчик функцию загрузки. Загрузка из data_in [1:0] производится нажатием на кнопку Counter_load
module R2 (counter, timer555, Counter_load, RAM_button, data_in, RAM_out); parameter ADDR_WIDTH = 2; parameter DATA_WIDTH = 4; output [1:0] counter; input timer555, Counter_load; // input [N-1:0] adr; input RAM_button; input [DATA_WIDTH-1:0] data_in; output [DATA_WIDTH-1:0] RAM_out; // Counter reg [1:0] counter; always @ (posedge timer555 or posedge Counter_load) if (Counter_load) counter <= data_in[1:0]; else counter <= counter + 2'b01; // RAM wire [ADDR_WIDTH-1:0] adr; assign adr = counter; reg [DATA_WIDTH-1:0] mem [2**ADDR_WIDTH-1:0]; always @(posedge RAM_button) mem [adr] <= data_in; assign RAM_out = mem[adr]; endmodule
Вот так выглядит подключение кнопок и светодиодов в Pin Planner'е:
Загрузим 0001 по адресу 00, 0010 по адресу 01, 0100 по адресу 10, 1000 по адресу 11
module tR2; parameter ADDR_WIDTH = 2; parameter DATA_WIDTH = 4; reg timer555, Counter_load, RAM_button; wire [1:0] counter; reg [DATA_WIDTH-1:0] data_in; wire [DATA_WIDTH-1:0] RAM_out; R2 test_R2(counter, timer555, Counter_load, RAM_button, data_in, RAM_out); initial // Clock generator begin timer555 = 0; forever #20 timer555 = ~timer555; end initial begin data_in[0] = 0; data_in[1] = 0; data_in[2] = 0; data_in[3] = 0; Counter_load = 0; RAM_button = 0; #5 data_in[0]=0; data_in[1]=0; Counter_load=1; RAM_button=0; #5 data_in[0]=1; data_in[1]=0; Counter_load=0; RAM_button=1; #5 data_in[0]=0; data_in[1]=0; Counter_load=0; RAM_button=0; #5 data_in[0]=1; data_in[1]=0; Counter_load=1; RAM_button=0; #5 data_in[0]=0; data_in[1]=1; Counter_load=0; RAM_button=1; #5 data_in[0]=0; data_in[1]=0; Counter_load=0; RAM_button=0; #5 data_in[0]=0; data_in[1]=1; Counter_load=1; RAM_button=0; #5 data_in[2]=1; data_in[0]=0; data_in[1]=0; Counter_load=0; RAM_button=1; #5 data_in[2]=0; data_in[0]=0; data_in[1]=0; Counter_load=0; RAM_button=0; #5 data_in[0]=1; data_in[1]=1; Counter_load=1; RAM_button=0; #5 data_in[3]=1; data_in[0]=0; data_in[1]=0; Counter_load=0; RAM_button=1; #5 data_in[3]=0; data_in[0]=0; data_in[1]=0; Counter_load=0; RAM_button=0; end endmodule
В отдельном модуле создаем 4bit'ный регистр (аккумулятор).
Данные загружаются в регистр при нажатии на кнопку reg_button:
module register4 ( input [3:0] reg_data, input reg_button, output reg [3:0] q ); always @(posedge reg_button) q <= reg_data; endmodule
Добавим в общую схему аккумулятор Acc, мультиплексор MUX2 и сумматор sum.
Сумматор прибавляет к числу в аккумуляторе Acc числа из памяти.
На сигнальные входы мультиплексора подаются числа data_in и sum.
Число из MUX2 загружается в аккумулятор Acc при нажатии кнопки Acc_button.
Число из Асс загружается в ОЗУ при нажатии кнопки RAM_button.
module R3 (MUX_switch, Acc_button, Acc, counter, timer555, Counter_load, RAM_button, data_in, RAM_out); parameter ADDR_WIDTH = 2; parameter DATA_WIDTH = 4; input MUX_switch; input Acc_button; output [3:0] Acc; input timer555, Counter_load; output [1:0] counter; // input [N-1:0] adr; input RAM_button; input [DATA_WIDTH-1:0] data_in; output [DATA_WIDTH-1:0] RAM_out; // Counter reg [1:0] counter; always @ (posedge timer555 or posedge Counter_load) if (Counter_load) counter <= data_in[1:0]; else counter <= counter + 2'b01; // RAM wire [ADDR_WIDTH-1:0] adr; assign adr = counter; reg [DATA_WIDTH-1:0] mem [2**ADDR_WIDTH-1:0]; always @(posedge RAM_button) mem [adr] <= Acc; assign RAM_out = mem[adr]; // sum wire [3:0] sum; assign sum = Acc + RAM_out; // MUX2 reg [3:0] MUX2; always @* MUX2 = MUX_switch ? sum : data_in; //Схема подавления дребезга контактов кнопки Acc_button /* reg Acc_dff; always @(posedge Acc_button or negedge timer555) if (!timer555) Acc_dff <= 1'b0; else Acc_dff <= timer555; */ //Acc register4 Acc_reg( .reg_data(MUX2), //.reg_button(Acc_dff), .reg_button(Acc_button), .q(Acc) ); endmodule
Для программного подавления дребезга можно применить простую схему
/* reg Acc_dff;
always @(posedge Acc_button or negedge timer555)
if (!timer555)
Acc_dff <= 1'b0;
else
Acc_dff <= timer555; */
А можно использовать одновибратор (ждущий мультивибратор), собранный на таймере 555 или микросхеме К155ЛА3
Далее, будем складывать числа, например, 2 и 3.
1. Загружаем числа в ОЗУ
2. Обнуляем Асс
3. Переключаем MUX2
4. Загружаем первое число из ОЗУ в Асс
5. Прибавляем к числу в Асс второе число из ОЗУ
6. Загружаем сумму в ОЗУ
module tR3; parameter ADDR_WIDTH = 2; parameter DATA_WIDTH = 4; reg MUX_switch; reg Acc_button; wire [3:0] Acc; reg timer555, Counter_load, RAM_button; wire [1:0] counter; reg [DATA_WIDTH-1:0] data_in; wire [DATA_WIDTH-1:0] RAM_out; R3 test_R3(MUX_switch, Acc_button, Acc, counter, timer555, Counter_load, RAM_button, data_in, RAM_out); initial begin timer555 = 0; forever #20 timer555 = ~timer555; end initial begin data_in[0] = 0; data_in[1] = 0; data_in[2] = 0; data_in[3] = 0; Counter_load = 0; Acc_button = 0; RAM_button = 0; MUX_switch = 0; #5 Counter_load = 1; #5 data_in[0]=0; data_in[1]=1; Counter_load = 0; #5 Acc_button = 1; #5 RAM_button = 1; #5 data_in[0]=0; data_in[1] = 0; Acc_button = 0; RAM_button = 0; #5 data_in[0]=1; data_in[1]=1; #15 Acc_button = 1; #5 RAM_button = 1; #5 Acc_button = 0; #5 data_in[0]=0; data_in[1] = 0; RAM_button = 0; #10 Acc_button = 1; #10 Acc_button = 0; #60 MUX_switch = 1; #10 Acc_button = 1; #10 Acc_button = 0; #30 Acc_button = 1; #10 Acc_button = 0; #30 RAM_button = 1; #10 RAM_button = 0; end endmodule
Добавим в основной модуль элемент, вычитающий из числа в аккумуляторе число, записанное в памяти.
wire [3:0] subtract; assign subract = Acc - RAM_out ;
Заменим двухвходовой мультиплексор 4х_входовым
always @* MUX4 = MUX_switch[1] ? (MUX_switch[0] ? RAM_out : subtract) : (MUX_switch[0] ? sum : data_in);
Подключим к аккумулятору устройство вывода (4bit'ный регистр), также подключим к аккумулятору 2 флага:
1. Флаг «Ноль» — это лог. элемент 4ИЛИ-НЕ. Флаг поднимается, если содержимое Асс равно нулю.
2. Флаг «Ноль или Положительное число» — это лог. элемент НЕ на старшем разряде четырёхразрядного аккумулятора. Флаг поднимается, если содержимое Асс больше или равно нулю.
//флаг "Ноль" output Z_flag; assign Z_flag = ~(|Acc); // многовходовой вентиль ИЛИ //флаг "Ноль или Положительное число" output PZ_flag; assign PZ_flag = ~Acc[3];
Добавим три команды
1. загрузка содержимого аккумулятора в устройство вывода data_out
2. загрузка адреса в счётчик, если поднят флаг «ноль» (JMP if Acc=0)
3. загрузка адреса в счётчик, если поднят флаг «ноль или положительное число» (JMP if Acc>=0)
module R4 (JMP,Z_JMP,PZ_JMP,Z_flag,PZ_flag,Output_button,data_out,MUX_switch,Acc_button,Acc,counter,timer555,RAM_button,data_in,RAM_out); parameter ADDR_WIDTH = 2; parameter DATA_WIDTH = 4; input JMP, Z_JMP, PZ_JMP; output Z_flag, PZ_flag; input Output_button; output [3:0] data_out; input [1:0] MUX_switch; input Acc_button; output [3:0] Acc; input timer555; output [1:0] counter; input RAM_button; input [DATA_WIDTH-1:0] data_in; output [DATA_WIDTH-1:0] RAM_out; // flags wire Z,PZ; assign Z = Z_flag & Z_JMP; assign PZ = PZ_flag & PZ_JMP; // Counter reg [1:0] counter; always @ (posedge timer555 or posedge JMP or posedge Z or posedge PZ) if (JMP|Z|PZ) counter <= data_in[1:0]; else counter <= counter + 2'b01; // RAM wire [ADDR_WIDTH-1:0] adr; assign adr = counter; reg [DATA_WIDTH-1:0] mem [2**ADDR_WIDTH-1:0]; always @(posedge RAM_button) mem [adr] <= Acc; assign RAM_out = mem[adr]; // sum wire [3:0] sum; assign sum = Acc + RAM_out; //subtract wire [3:0] subtract; assign subtract = Acc - RAM_out; // MUX4 reg [3:0] MUX4; always @* MUX4 = MUX_switch[1] ? (MUX_switch[0] ? RAM_out : subtract) : (MUX_switch[0] ? sum : data_in); //Acc register4 Acc_reg( .reg_data(MUX4), .reg_button(Acc_button), .q(Acc) ); //data_out register4 Output_reg( .reg_data(Acc), .reg_button(Output_button), .q(data_out) ); assign Z_flag = ~(|Acc); assign PZ_flag = ~Acc[3]; endmodule
1. Загружаем числа в ОЗУ
2. Обнуляем Асс
3. Переключаем MUX2
4. Вычитаем первое число (записанное в ОЗУ) из Асс
5. Вычитаем второе число (записанное в ОЗУ) из Асс
6. Загружаем сумму в ОЗУ и в data_out
module tR4; parameter ADDR_WIDTH = 2; parameter DATA_WIDTH = 4; reg JMP, Z_JMP, PZ_JMP; wire Z_flag, PZ_flag; reg Output_button; wire [3:0] data_out; reg [1:0] MUX_switch; reg Acc_button; wire [3:0] Acc; reg timer555, RAM_button; wire [1:0] counter; reg [DATA_WIDTH-1:0] data_in; wire [DATA_WIDTH-1:0] RAM_out; R4 test_R4 (JMP,Z_JMP,PZ_JMP,Z_flag,PZ_flag,Output_button,data_out,MUX_switch,Acc_button,Acc, counter,timer555,RAM_button,data_in,RAM_out); initial begin timer555 = 0; forever #20 timer555 = ~timer555; end initial begin data_in[0] = 0; data_in[1] = 0; data_in[2] = 0; data_in[3] = 0; JMP = 0; Z_JMP = 0; PZ_JMP = 0; Acc_button = 0; RAM_button = 0; Output_button = 0; MUX_switch[0] = 0; MUX_switch[1] = 0; #5 JMP = 1; #5 data_in[0]=0; data_in[1]=1; JMP = 0; #5 Acc_button = 1; #5 RAM_button = 1; #5 data_in[0]=0; data_in[1] = 0; Acc_button = 0; RAM_button = 0; #5 data_in[0]=1; data_in[1]=1; #15 Acc_button = 1; #5 RAM_button = 1; #5 Acc_button = 0; #5 data_in[0]=0; data_in[1] = 0; RAM_button = 0; #10 Acc_button = 1; #10 Acc_button = 0; #60 MUX_switch[1] = 1; #10 Acc_button = 1; #10 Acc_button = 0; #30 Acc_button = 1; #10 Acc_button = 0; #30 RAM_button = 1; Output_button = 1; #10 RAM_button = 0; Output_button = 0; end endmodule
Проверим, что когда в Асс лежит положительное число, перехода Z_JMP не происходит:
module tR4_jmp; parameter ADDR_WIDTH = 2; parameter DATA_WIDTH = 4; reg JMP, Z_JMP, PZ_JMP; wire Z_flag, PZ_flag; reg Output_button; wire [3:0] data_out; reg [1:0] MUX_switch; reg Acc_button; wire [3:0] Acc; reg timer555, RAM_button; wire [1:0] counter; reg [DATA_WIDTH-1:0] data_in; wire [DATA_WIDTH-1:0] RAM_out; R4 test_R4 (JMP,Z_JMP,PZ_JMP,Z_flag,PZ_flag,Output_button,data_out,MUX_switch,Acc_button,Acc, counter,timer555,RAM_button,data_in,RAM_out); initial begin timer555 = 0; forever #20 timer555 = ~timer555; end initial begin data_in[0] = 0; data_in[1] = 0; data_in[2] = 0; data_in[3] = 0; JMP = 0; Z_JMP = 0; PZ_JMP = 0; Acc_button = 0; RAM_button = 0; Output_button = 0; MUX_switch[0] = 0; MUX_switch[1] = 0; #5 JMP = 1; #5 data_in[0]=0; data_in[1]=1; JMP = 0; #5 Acc_button = 1; #5 data_in[0]=1; data_in[1]=1; Acc_button = 1; #5 data_in[0]=1; data_in[1]=1; Acc_button = 0; #5 Z_JMP = 1; #5 PZ_JMP = 1; Z_JMP = 0; #5 PZ_JMP = 0; end endmodule
Поместим команду безусловного перехода в ОЗУ
Конструкция вида
//wire Counter_load; always @ (posedge timer555) if (Counter_load) counter <= RAM_out[3:0]; else counter <= counter + 2'b01;
в ModelSim работать не будет, поэтому будем использовать дополнительную команду reset_count, которая инициализирует счетчик, обнуляя его, т.е.
module resCount (reset_count, counter, timer555, RAM_button, data_in, RAM_out); parameter ADDR_WIDTH = 4; parameter DATA_WIDTH = 8; input reset_count; output [ADDR_WIDTH-1:0] counter; input timer555; input RAM_button; input [DATA_WIDTH-1:0] data_in; output [DATA_WIDTH-1:0] RAM_out; wire Counter_load; assign Counter_load = RAM_out[7]; reg [ADDR_WIDTH-1:0] counter; always @ (posedge timer555 or posedge reset_count) if (reset_count) counter <= 4'b0000; else if (Counter_load) counter <= RAM_out[3:0]; else counter <= counter + 4'b0001; wire [ADDR_WIDTH-1:0] adr; assign adr = counter; reg [DATA_WIDTH-1:0] mem [2**ADDR_WIDTH-1:0]; always @(posedge RAM_button) mem [adr] <= data_in; assign RAM_out = mem[adr]; endmodule
test bench
module tresCount; parameter ADDR_WIDTH = 4; parameter DATA_WIDTH = 8; reg reset_count; reg timer555, RAM_button; wire [ADDR_WIDTH-1:0] counter; reg [DATA_WIDTH-1:0] data_in; wire [DATA_WIDTH-1:0] RAM_out; resCount test_resCount(reset_count, counter, timer555, RAM_button, data_in, RAM_out); initial // Clock generator begin timer555 = 0; forever #20 timer555 = ~timer555; end initial begin data_in[0] = 0; data_in[1] = 0; data_in[2] = 0; data_in[3] = 0; data_in[4] = 0; data_in[5] = 0; data_in[6] = 0; data_in[7] = 0; RAM_button = 0; reset_count =1; #5 reset_count =0; #1500 data_in[7] =1; #5 RAM_button = 1; #5 data_in[7] =0; RAM_button = 0; end endmodule
Добавим в схему MUX2 и Асс. Будем производить запись в Асс командой RAM_out[6].
assign Acc_button = RAM_out[6];
К тактовому входу Асс подключим лог. элемент И
//в модуле regiser4 заменим (posedge reg_button) на (negedge reg_button) .reg_button(Acc_button & timer555),
Смысл подключения лог. элемента И к тактовому входу в том, что теперь по фронту timer555 можно переключать мультиплексор, а по спаду производить запись в аккумулятор. Т.о. мы поместили две команды в один такт.
Будем производить переключение MUX2 командой RAM_out[5]
assign MUX_switch = RAM_out[5];
module register4 ( input [3:0] reg_data, input reg_button, output reg [3:0] q ); always @(negedge reg_button) // заменим "posedge" на "negedge" q <= reg_data; endmodule module R50 (reset_count, counter, timer555, RAM_button, data_in, RAM_out, mux_switch_out, mux_out,Acc_out); parameter ADDR_WIDTH = 2; parameter DATA_WIDTH = 8; input reset_count; output [ADDR_WIDTH-1:0] counter; input timer555; input RAM_button; input [DATA_WIDTH-1:0] data_in; output [DATA_WIDTH-1:0] RAM_out; output [3:0] Acc_out; output mux_switch_out; output [3:0] mux_out; wire Counter_load; assign Counter_load = RAM_out[7]; //Counter reg [ADDR_WIDTH-1:0] counter; always @ (posedge timer555 or posedge reset_count) if (reset_count) counter <= 2'b00; else if (Counter_load) counter <= RAM_out[1:0]; else counter <= counter + 2'b01; wire [ADDR_WIDTH-1:0] adr; assign adr = counter; //RAM reg [DATA_WIDTH-1:0] mem [2**ADDR_WIDTH-1:0]; always @(posedge RAM_button) mem [adr] <= data_in; assign RAM_out = mem[adr]; // MUX2 wire MUX_switch; assign MUX_switch = RAM_out[5]; reg [3:0] MUX2; always @* MUX2 = MUX_switch ? RAM_out : data_in[3:0]; // возьмём 4 разряда из data_in assign mux_out = MUX2; assign mux_switch_out = MUX_switch; wire Acc_button; assign Acc_button = RAM_out[6]; //Acc register4 Acc_reg( .reg_data(mux_out), .reg_button(Acc_button & timer555), .q(Acc_out) ); endmodule
В тестбенче запишем в ячейку 00 число 0101, а в ячейку 01 число 1010; загрузим эти числа в аккумулятор
module tR50; parameter ADDR_WIDTH = 2; parameter DATA_WIDTH = 8; reg reset_count; reg timer555, RAM_button; wire [ADDR_WIDTH-1:0] counter; reg [DATA_WIDTH-1:0] data_in; wire [DATA_WIDTH-1:0] RAM_out; wire mux_switch_out; wire [3:0] mux_out; wire [3:0] Acc_out; R50 test_R50(reset_count, counter, timer555, RAM_button, data_in, RAM_out, mux_switch_out, mux_out,Acc_out); initial // Clock generator begin timer555 = 0; forever #20 timer555 = ~timer555; end initial begin data_in[0] = 1; data_in[1] = 0; data_in[2] = 1; data_in[3] = 0; data_in[4] = 0; data_in[5] = 1; data_in[6] = 1; data_in[7] = 0; RAM_button = 0; reset_count =1; #5 RAM_button = 1; reset_count = 0; #5 data_in[0]=0; data_in[2]=0; data_in[5]=0; data_in[6]=0; RAM_button=0; #15 data_in[1]=1; data_in[3]=1; data_in[5]=1;data_in[6]=1; #5 RAM_button=1; #5 data_in[1]=0; data_in[3]=0; data_in[5]=0; data_in[6]=0; RAM_button=0; end endmodule
Поместим второе ОЗУ в общую схему и будем производить запись в ОЗУ командой RAM1_out[4].
assign RAM2_button = RAM1_out[4];
module register4 ( input [3:0] reg_data, input reg_button, output reg [3:0] q ); always @(negedge reg_button) q <= reg_data; endmodule module R51 (reset_count, counter, timer555, RAM1_button, data_in, RAM1_out, RAM2_out, mux_switch_out, mux_out,Acc_out); parameter ADDR_WIDTH = 3; parameter DATA_WIDTH = 8; input reset_count; output [ADDR_WIDTH-1:0] counter; input timer555; input RAM1_button; input [DATA_WIDTH-1:0] data_in; output [DATA_WIDTH-1:0] RAM1_out; output [3:0] RAM2_out; output [3:0] Acc_out; output mux_switch_out; output [3:0] mux_out; wire Counter_load; assign Counter_load = RAM1_out[7]; //Counter reg [ADDR_WIDTH-1:0] counter; always @ (posedge timer555 or posedge reset_count) if (reset_count) counter <= 2'b00; else if (Counter_load) counter <= RAM1_out[1:0]; else counter <= counter + 2'b01; wire [ADDR_WIDTH-1:0] adr1; assign adr1 = counter; //RAM1 reg [DATA_WIDTH-1:0] mem1 [2**ADDR_WIDTH-1:0]; always @(posedge RAM1_button ) mem1 [adr1] <= data_in; assign RAM1_out = mem1[adr1]; wire [ADDR_WIDTH-1:0] adr2; assign adr2 = RAM1_out[3:0]; wire RAM2_button; assign RAM2_button = RAM1_out[4]; //RAM2 reg [3:0] mem2 [2**ADDR_WIDTH-1:0]; always @(posedge RAM2_button) mem2 [adr2] <= Acc_out; assign RAM2_out = mem2[adr2]; // MUX2 wire MUX_switch; assign MUX_switch = RAM1_out[5]; reg [3:0] MUX2; always @* MUX2 = MUX_switch ? RAM2_out : data_in[3:0]; assign mux_out = MUX2; assign mux_switch_out = MUX_switch; wire Acc_button; assign Acc_button = RAM1_out[6]; //Acc register4 Acc_reg( .reg_data(mux_out), .reg_button(Acc_button & timer555), .q(Acc_out) ); endmodule
В тестбенче загрузим числа 0100 и 1000 из Асс в нулевую 0000 и первую 0001 ячейки ОЗУ mem2 (затем загрузим эти числа в Асс из ОЗУ mem2)
module tR51; parameter ADDR_WIDTH = 3; parameter DATA_WIDTH = 8; reg reset_count; reg timer555, RAM1_button; wire [ADDR_WIDTH-1:0] counter; reg [DATA_WIDTH-1:0] data_in; wire [DATA_WIDTH-1:0] RAM1_out; wire [3:0] RAM2_out; wire mux_switch_out; wire [3:0] mux_out; wire [3:0] Acc_out; R51 test_R51(reset_count, counter, timer555, RAM1_button, data_in, RAM1_out, RAM2_out, mux_switch_out, mux_out,Acc_out); initial // Clock generator begin timer555 = 0; forever #20 timer555 = ~timer555; end initial begin data_in[0] = 0; data_in[1] = 0; data_in[2] = 0; data_in[3] = 0; data_in[4] = 0; data_in[5] = 0; data_in[6] = 1; data_in[7] = 0; RAM1_button = 0; reset_count =1; #5 RAM1_button = 1; reset_count = 0; #5 RAM1_button = 0; data_in[6] = 0; #10 data_in[4] = 1; #5 RAM1_button = 1; #5 data_in[4] = 0; RAM1_button = 0; #30 data_in[6] = 1; #5 RAM1_button = 1; #5 data_in[6] = 0; RAM1_button = 0; #30 data_in[4] = 1; data_in[0] = 1; #5 RAM1_button = 1; #5 data_in[4] = 0; data_in[0] = 0; RAM1_button = 0; #30 data_in[6] = 1; #5 RAM1_button = 1; #5 RAM1_button = 0; data_in[6] = 0; #30 data_in[5] = 1; data_in[6] = 1; #5 RAM1_button = 1; #5 RAM1_button = 0; data_in[5] = 0; data_in[6] = 0; #30 data_in[5] = 1; data_in[6] = 1; data_in[0] = 1; #5 RAM1_button = 1; #5 RAM1_button = 0; data_in[0] = 0; data_in[5] = 0; data_in[6] = 0; #70 data_in[2] = 1; #80 data_in[2] = 0; data_in[3] = 1; #40 data_in[3] = 0; end endmodule
Добавлю, что схема c лог. элементом И на тактовом входе аккумулятора не всегда будет работать корректно (зависит от платы). Заменим лог. элемент И на триггер Acc_dff, загрузку в триггер будем производить по отрицательному фронту (по спаду) тактового сигнала timer555, загрузку в аккумулятор будем производить по положительному фронту
// Acc_dff reg Acc_dff; always @(negedge timer555) Acc_dff <= Acc_button;
Итак, добавив остальные команды, создадим модуль R52 (LMC)
module register4 ( input [3:0] reg_data, input reg_button, output reg [3:0] q ); always @(posedge reg_button) // negedge -> posedge q <= reg_data; endmodule module R52 (Z_flag, PZ_flag, reset_count, counter, timer555, RAM1_button, data_in, RAM1_out, RAM2_out, mux_switch_out, mux_out, Acc_out, data_out, Acc_dff); parameter ADDR_WIDTH = 4; parameter DATA_WIDTH = 12; input reset_count; input timer555; input RAM1_button; input [DATA_WIDTH-1:0] data_in; output [ADDR_WIDTH-1:0] counter; output [1:0] mux_switch_out; output [3:0] mux_out; output [3:0] Acc_out; output [3:0] data_out; output [DATA_WIDTH-1:0] RAM1_out; output [3:0] RAM2_out; output Z_flag, PZ_flag; output Acc_dff; wire JMP_button, Z_JMP_button,PZ_JMP_button; assign JMP_button = RAM1_out[6]; assign Z_JMP_button = RAM1_out[5]; assign PZ_JMP_button = RAM1_out[4]; wire Z_JMP,PZ_JMP; assign Z_JMP = Z_flag & Z_JMP_button; assign PZ_JMP = PZ_flag & PZ_JMP_button; //Counter reg [ADDR_WIDTH-1:0] counter; always @ (posedge timer555 or posedge reset_count) if (reset_count) counter <= 4'b0000; else if (JMP_button|Z_JMP|PZ_JMP) counter <= RAM1_out[3:0]; else counter <= counter + 4'b0001; wire [ADDR_WIDTH-1:0] adr1; assign adr1 = counter; //RAM1 reg [DATA_WIDTH-1:0] mem1 [2**ADDR_WIDTH-1:0]; always @(posedge RAM1_button ) mem1 [adr1] <= data_in; assign RAM1_out = mem1[adr1]; //RAM2_adr wire [ADDR_WIDTH-1:0] adr2; assign adr2 = RAM1_out[2:0]; //RAM2_button wire RAM2_button; assign RAM2_button = RAM1_out[11]; //RAM2 reg [3:0] mem2 [2**ADDR_WIDTH-1:0]; always @(posedge RAM2_button) mem2 [adr2] <= Acc_out; assign RAM2_out = mem2[adr2]; // sum wire [3:0] sum; assign sum = Acc_out + RAM2_out; //subtract wire [3:0] subtract; assign subtract = Acc_out - RAM2_out; // MUX4 wire [1:0] mux_switch; assign mux_switch[0] = RAM1_out[7]; assign mux_switch[1] = RAM1_out[8]; reg [3:0] MUX4; always @* MUX4 = mux_switch[1] ? (mux_switch[0] ? RAM2_out : subtract) : (mux_switch[0] ? sum : data_in[3:0]); assign mux_out = MUX4; assign mux_switch_out[0] = mux_switch[0]; assign mux_switch_out[1] = mux_switch[1]; //Acc_button wire Acc_button; assign Acc_button = RAM1_out[10]; // Acc_dff reg Acc_dff; always @(negedge timer555) Acc_dff <= Acc_button; //Acc register4 Acc_reg( .reg_data(mux_out), //.reg_button(Acc_button & timer555), .reg_button(Acc_dff), .q(Acc_out) ); //data_out wire Output_button; assign Output_button = RAM1_out[9]; register4 Output_reg( .reg_data(Acc_out), .reg_button(Output_button), .q(data_out) ); // flags assign Z_flag = ~(|Acc_out); assign PZ_flag = ~Acc_out[3]; endmodule
В тестбенче проверим, как работает алгоритм поиска максимального числа.
Особенность загрузки команд в ОЗУ заключается в том, что после загрузки всех команд нам приходится возвращаться (340ns) в ячейку 8 и загружать ещё одну команду
module tR52; parameter ADDR_WIDTH = 4; parameter DATA_WIDTH = 12; reg reset_count; reg timer555; reg RAM1_button; reg [DATA_WIDTH-1:0] data_in; wire [ADDR_WIDTH-1:0] counter; wire [1:0]mux_switch_out; wire [3:0] mux_out; wire [3:0] Acc_out; wire [3:0] data_out; wire [DATA_WIDTH-1:0] RAM1_out; wire [3:0] RAM2_out; wire Z_flag, PZ_flag; wire Acc_dff; R52 test_R52(Z_flag, PZ_flag, reset_count, counter, timer555, RAM1_button, data_in, RAM1_out, RAM2_out, mux_switch_out, mux_out,Acc_out, data_out, Acc_dff); initial // Clock generator begin timer555 = 0; forever #20 timer555 = ~timer555; end initial begin data_in[0] = 0; data_in[1] = 0; data_in[2] = 0; data_in[3] = 0; data_in[4] = 0; data_in[5] = 0; data_in[6] = 0; data_in[7] = 0; data_in[8] = 0; data_in[9] = 0; data_in[10] = 1; data_in[11] = 0; RAM1_button = 0; reset_count =1; // загружаем 1-ое число в Асс #5 RAM1_button = 1; reset_count = 0; #5 RAM1_button = 0; data_in[10] = 0; data_in[0] = 0; // сохраняем 1-ое число в ячейке 0 #10 data_in[11] = 1; #5 RAM1_button = 1; #5 data_in[11] = 0; RAM1_button = 0; // загружаем 2-ое число в Асс #30 data_in[10] = 1; #5 RAM1_button = 1; #5 RAM1_button = 0; data_in[10] = 0; // сохраняем 2-ое число в ячейке 0 #30 data_in[11] = 1;data_in[0] = 1; #5 RAM1_button = 1; #5 data_in[11] = 0;data_in[0] = 0; RAM1_button = 0; //вычитаем 1-ое число из Асс #30 data_in[8]=1; data_in[10] = 1; #5 RAM1_button = 1; #5 RAM1_button = 0; data_in[8]=0; data_in[10] = 0; // Если Acc>=0, переходим на ячейку 8 #30 data_in[4]=1; data_in[3]=1; #5 RAM1_button = 1; #5 RAM1_button = 0; data_in[4]=0; data_in[3]=0; // загружаем 1-ое число #30 data_in[7] = 1; data_in[8] = 1; data_in[10] = 1; #5 RAM1_button = 1; #5 RAM1_button = 0; data_in[7] = 0; data_in[8] = 0; data_in[10] = 0; // безусловный переход в ячейку 9 #30 data_in[6] = 1; data_in[3]=1; data_in[0]=1; #5 RAM1_button = 1; #5 RAM1_button = 0; data_in[6] = 0; data_in[3]=0; data_in[0]=0; //выводим число в data_out #30 data_in[9] = 1; #5 RAM1_button = 1; #5 RAM1_button = 0; data_in[9] = 0; // безусловный переход в ячейку 8 #30 data_in[6] = 1; data_in[3]=1; data_in[0]=0; #5 RAM1_button = 1; #5 RAM1_button = 0; data_in[6] = 0; data_in[3]=0; data_in[0]=0; //загружаем 2-ое число #30 data_in[7] = 1; data_in[8] = 1; data_in[10] = 1; data_in[0] = 1; #5 RAM1_button = 1; #5 RAM1_button = 0; data_in[7] = 0; data_in[8] = 0; data_in[10] = 0; data_in[0] = 0; #75 RAM1_button = 1; #5 RAM1_button = 0; #230 data_in[2]=1; data_in[0]=0; //первое число #80 data_in[2]=0; data_in[0]=1; // второе число end endmodule
Ссылка на github с кодами программ.
Бесплатную студенческую версию ModelSim под Windows можно скачать с сайта www.model.com.
Далее необходимо (заполнив форму) скачать файл student_license.dat и поместить этот файл в основную директорию программы ModelSim.
Ссылка на файл ModelSim под Linux (Ubuntu) здесь
Инструкция по установке здесь.
