基于FPGA的MIPS單周期處理器的實現

嚴海洲

摘要：在MIPS CPU設計原理的基礎上，通過Verilog硬件描述語言編程、使用Xilinx FPGA開發板的調試和仿真工具Vivado，實現基于FPGA的MIPS單周期處理器。最終下載到Nexys4-DDR平臺上，通過ChipScope工具抓取運行過程中產生的波形進行驗證。

關鍵詞：MIPS;硬件描述語言 ; Vivado ;單周期處理器

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）19-0005-04

本文旨在使讀者理解和掌握基于FPGA的MIPS單周期處理器的設計和實現。我們要在了解MIPS CPU設計原理的基礎上，掌握Verilog硬件描述語言編程、Xilinx FPGA開發板（Nexys4-DDR）的調試和仿真工具（Vivado? 2014.4）。過程大致分為用Vivado設計套件創建工程、編寫 Verilog 代碼、仿真測試和下載驗證等四部分。

1 用Vivado設計套件創建工程

1.1 關于Vivado設計套件

Vivado設計套件是FPGA廠商賽靈思Xilinx公司2012年發布的集成設計環境，以提升生產力、縮短產品上市時間、實現可編程系統集成等目標。Vivado設計套件可實現FPGA部分的設計和開發，管腳和時序的約束，編譯和仿真，實現RTL 到比特流的設計流程。包括高度集成的設計環境和新一代從系統級到IC級的工具，全新的系統級設計的中心思想是基于知識產權（IP）核的設計，Vivado工具把各類可編程技術結合在一起，能夠擴展多達1億個等效ASIC門的設計。這些均建立在共享的可擴展數據模型和通用調試環境基礎上，可以讓用戶更快地實現設計收斂。

1.2 新工程的創建和設置

打開 Vivado設計套件（本文使用的是Vivado 2014.4）新建工程，輸入工程名和存儲路徑如圖1所示。然后選擇FPGA型號、綜合和仿真工具、推薦描述語言（Verilog）等配置如圖2所示。

1.3 添加Verilog 模塊

如圖3所示，右鍵點擊 Hierarchy 窗口，選擇 Add Copy of Source ，添加已有的Verilog模塊，例如 Register file，Sign Extend，Data Memory，Instruction Memory，ALU 模塊。并重新定義Top 層模塊和 Control。

2 編寫 Verilog 代碼

2.1 關于Verilog HDL

Verilog HDL（常簡稱為Verilog）是一種硬件描述語言，以文本形式來描述數字系統硬件的結構和行為的語言，用它可以表示邏輯電路圖、邏輯表達式，還可以表示數字邏輯系統所完成的邏輯功能。Verilog HDL和VHDL是目前業界最常用的兩種硬件描述語言，這兩種HDL均為IEEE標準。

2.2 MIPS 單周期處理器原理概要

單周期CPU是指一條指令在一個時鐘周期內執行完畢，然后開始執行下一條指令。時鐘周期一般也稱振蕩周期。 單周期處理器的設計，關鍵是確定數據路徑以及確定哪些操作需要時鐘，哪些不需要時鐘。例如對于 Data Memory 讀和寫就需要區別對待。將計算好的數據寫到 Data Memory 需要一個時鐘周期來完成。而讀 Memory 的操作，意味著將讀到的數據寫入到 Register file，如果讀 Memory 和寫 Register 都需要一個時鐘周期，那就無法實現單周期的處理器。所以 Data Memory寫操作采用時序邏輯，而讀操作采用組合邏輯，本文采用的就是這種方式。當然，還有其他方式來解決多周期修改成單周期，例如采用快慢兩個時鐘的方法等。

2.3 編輯 control 模塊和Top 層模塊

根據上述設計思路，編輯 control 模塊如圖4;編輯Top層模塊如圖5，將各個模塊互聯起來。

2.4 系統時鐘的設置

設計的系統時鐘暫定為 32MHz，外部時鐘是 100MHz，需要添加一個時鐘生成器進行分頻處理，得到32MHz。利用Core Generator來生成時鐘，右鍵選中 Hierarchy 窗口，選擇 New Source，左側框中選擇 IP，右側輸入文件名，如圖6所示。選擇 IP Core 類型，這里使用 Clocking Wizard，如圖7所示。然后配置 DCM 時鐘參數，在 Top 模塊中調用 Clk_gen 模塊。

3 仿真測試

整個處理器設計基本完成，接下來編輯 testbench 文件，進行行為級的仿真。

3.1 系統的初始化

1）初始化 data memory、instruction memory 和 register 三大存儲模塊，這里僅以初始化 instruction memory 為例說明，其他類推即可。該 memory 用于存儲二進制代碼，如圖8顯示。Verilog中調用了系統任務$readmemh，將Instruction文件中的數據讀入到InstMem數組中。

2）編寫Top層的testbench文件如圖9。右鍵選中Hierachy窗口，選擇new source，如圖10所示，定義 file name為Top_tb，在左側欄中選擇 Verilog Test Fixture，點擊 Next，選擇Top模塊，自動生成 Top_tb 測試文件。添加時鐘激勵，初始化其他輸入信號。

3.2 仿真與觀察

1）調用Vivado自帶的仿真工具進行仿真如圖11，雙擊 Simulate Behavioral Model。添加 register 模塊中的 regfile 寄存器數組到波形窗口，觀察各個寄存器的變化情況，如圖12所示。