自定义指令集单周期CPU的设计

Question

要求是：
1.设计与实现一个具有自定义指令集的单周期CPU，其支持Input/Output（I/O）端口扩展，能够根据自己的指令代码，与课程中的DE1-SOC实验板卡上的按键、开关等进行开关量的信号状态输入，也可输出相应的显示内容至实验板卡上的LED数码管，同时验证自己的设计。
2.设计出符合要求的Verilog设计代码，并结合实验原理，写出设计的全过程和实验步骤，包括在参考设计代码基础上需要补充完整或扩充完整的CPU控制器设计真值表、扩充补齐的Verilog设计代码等。在实验板卡上运行cpu，录一段典型测试视频

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Answer 1

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自定义指令集单周期CPU的设计

你想要设计一个具有自定义指令集的单周期CPU，可以根据自己的指令代码与DE1-SOC实验板卡上的按键、开关等进行开关量的信号状态。下面是一个基本的设计思路：

1. 指令集设计：首先，需要设计一个自定义的指令集，包括指令的格式、操作码、寄存器等。可以根据自己的需求设计指令集，例如，添加一些特殊的指令来控制I/O端口扩展。
2. CPU架构设计：设计一个单周期CPU的架构，包括指令fetch、decode、execute、memory access等阶段。可以使用Verilog或VHDL语言实现CPU的逻辑。
3. I/O端口扩展：添加I/O端口扩展功能，允许CPU访问DE1-SOC实验板卡上的按键、开关等。可以使用FPGA的I/O端口来实现I/O扩展。
4. 指令执行：实现指令执行逻辑，根据指令代码执行相应的操作。例如，添加一些指令来控制I/O端口扩展，例如，读取按键状态、写入开关状态等。

下面是一个简单的Verilog代码示例，演示如何设计一个自定义指令集的单周期CPU：

module cpu(
    input  wire clk,
    input  wire [31:0] instr,
    output wire [31:0] result
);

// 指令集设计
typedef enum {ADD, SUB, AND, OR, NOT, LOAD, STORE} opcode_t;

// 指令fetch
opcode_t opcode;
assign opcode = instr[31:28];

// 指令decode
wire [31:0] operand1, operand2;
assign operand1 = instr[27:0];
assign operand2 = instr[27:0];

// 指令执行
wire [31:0] result;
always @(posedge clk) begin
    case (opcode)
        ADD: result = operand1 + operand2;
        SUB: result = operand1 - operand2;
        AND: result = operand1 & operand2;
        OR: result = operand1 | operand2;
        NOT: result = ~operand1;
        LOAD: result = operand1;
        STORE: result = operand2;
        default: result = 0;
    endcase
end

// I/O端口扩展
wire [31:0] io_data;
assign io_data = result;

// I/O端口控制
wire io_control;
assign io_control = instr[27];

// I/O端口扩展逻辑
always @(posedge clk) begin
    if (io_control) begin
        // 读取按键状态
        io_data <= {31{1'b0}} | (io_data[31:0] & (io_data[31:0] >> 1));
    end else begin
        // 写入开关状态
        io_data <= {31{1'b0}} | (io_data[31:0] & (io_data[31:0] >> 1));
    end
end

// 输出结果
assign result = io_data;

endmodule

这个示例代码演示了如何设计一个自定义指令集的单周期CPU，可以根据自己的需求进行修改和扩展。