实验4 - 数据通路和有限状态机设计1

实验4 - 数据通路和有限状态机设计1的焦点在于理解和设计处理器中的核心组件，包括数据通路和控制器。在这个实验中，你需要构建一个n位的存储器模块，该模块用于存储特定的链表结构。链表的首个节点位于0号地址，每个节点的第一个地址存储了下一个节点的地址，而第二个地址则包含了需要处理的数据。 数据通路是处理器的硬件部分，它执行实际的算术和逻辑运算以及数据传输。在图2所示的样例中，数据通路由计算单元ALU、两个寄存器LA和LB以及一个双端口存储器GR组成。这些单元通过各种控制信号（如OP、lda、ldb、read_addr、write_addr、WE等）协同工作，同时内部数据通过la_data、lb_data、gr_data和alu_data流动。 在设计过程中，你需要为每个逻辑单元创建独立的Verilog模块。例如，ALU模块接受两个输入a和b，以及操作码op，输出结果q。它根据op的值执行加法、按位与、按位异或和按位或操作。寄存器模块则包含时钟信号clk、复位信号rst_n、使能信号en、数据输入d和数据输出q，它在时钟上升沿并在使能信号为高时更新其内容。RAM模块使用读写地址、数据、时钟和写使能信号来读取或写入存储器内容。 在实现数据通路时，你需要使用结构化描述方法，即组合上述模块来构造整个数据通路。输入信号包括读写地址、写使能、操作码等，输出则对应于这些操作的结果。 控制器，通常以有限状态机（FSM）的形式存在，负责控制数据通路中数据的流动顺序。它接收控制流的输入，产生控制信号输出，以协调数据通路中的操作。在这个实验的第二步，你需要设计这样一个有限状态机，确保它可以正确地指导数据通路执行所需的指令序列。 实验的第三步是整合前两步的设计，构建一个能够自动执行运算的处理器。这要求你将数据通路和控制器结合起来，形成一个可以读取指令、解码指令并执行计算的完整系统。 在整个实验过程中，可能会遇到的问题可能包括同步和异步信号的处理、状态机的死锁或自锁、数据通路中的竞争条件以及存储器的初始化和访问。这些问题通常通过仔细分析时序逻辑、优化控制逻辑和验证设计来解决。完成实验后，应反思自己的学习过程，提出改进建议，以便于后续的学习和提高。 这个实验旨在通过实践提升你对处理器内部工作原理的理解，以及如何用硬件描述语言（如Verilog）设计和实现这些原理。通过这个实验，你将更深入地了解数据通路、有限状态机和处理器设计的核心概念。