用的是Vivado軟件，代碼部分將在下一期展現出來(內容太多我也很絕望)，這一期來講講思路
要求
原理
1.單週期：
單週期CPU指一條指令在一個時鐘週期內完成並開始下一條指令的執行。由時鐘上升、下降沿控制相關操作。兩個相鄰時鐘上升沿或下降沿之間的時間間隔爲一個時鐘週期
2.CPU如何處理指令：
CPU處理指令的步驟如下：
a.取指令：根據PC中的指令地址，在指令存儲器中獲取相應指令。然後PC值會自動改變移動到下一條指令的地址
b.指令譯碼：對獲取的指令進行分析，確定這個指令要完成什麼操作，改變相應的控制信號
c.指令執行：相關組件獲取控制信號，執行相應操作，並將結果反饋
d.存儲器訪問：如果指令設計讀取和存儲內存，則需要對存儲器中相應地址進行讀取或者寫入
e.結果寫回：將得到的數據(訪問存儲器或者修改其它寄存器的值獲得)寫回相應的寄存器
CPU的工作就是無限循環上訴步驟。
3.要實現的指令格式：
實驗要求的操作滿足MIPS指令的三種格式
op爲操作碼，是解析指令要完成什麼操作的重要參考，不同操作的操作碼獨一無二
rs，rt，rd爲寄存器編號，由於一共有32個，所以五位二進制編碼足夠表示每個寄存器(0號寄存器不能修改，值永遠爲0)
funct爲拓展碼，有時候op不足以完全表示所要完成的操作，拓展碼用於輔助描述這類操作
4.數據傳遞
根據數據通路圖
整體是一個CPU，而Control Unit(控制單元)作爲CPU的大腦，向各個組件發送控制信號指導它們完成任務，相應控制信號及功能如圖
關於ALUOp，因爲很多操作要用到ALU，所以ALUOp用於區分ALU到底要做什麼，以下是我設計的功能表
5.掌握一個週期的時間：
一個週期時間很短，必須合理運用，如果寫寄存器或存儲器和PC地址轉移都在時鐘上升沿或都在時鐘下降沿執行，則有可能數據還沒來得及寫就執行下一條指令了，爲了提高穩定性，可以在時鐘下降沿開始保存指令執行的結果到寄存器和存儲器中，上升沿則用來改變PC。
分析
1.CPU架構建立：
由數據通路圖可得，一共包含11個組件：
1.1.PC：
給出當前要執行的指令地址，同時獲取下一條指令的地址。我將跳轉器直接加入到了PC組件中，如果需要跳轉，PC根據傳入的值獲取下一條指令地址，否則執行+4獲取下一條相鄰指令
輸入：CLK，Reset，PCWre，PCSrc，immediate(立即數，跳轉時有用)
輸出：Address(當前指令的地址)
可以看出，PC是在上升沿獲取下一條指令，下降沿重置。立即數反映的是邏輯的跳轉數，然而真實的是每跳過一條指令相應PC地址需要+/-4
1.2.InstructionMemory(指令存儲器)：
通過PC地址獲取相應指令的操作碼
輸入：CurPC(當前PC所指地址)，instMemRW
輸出：instcode(找到的指令的操作碼)
指令寄存器我規定存儲單元寬度位8位，採用大端規則存儲，即指令高位存到寄存器低地址，低位存到高地址，這是$readmemb方法默認實現的，那麼獲取操作碼就可以通過
instcode = { InstMemory[CurPC], InstMemory[CurPC + 1], InstMemory[CurPc + 2], InstMemory[CurPC + 3] };
獲取
1.3.Mux_TwoToOneReg(兩路寄存器選擇器)：
由於MIPS指令格式的不同，進入寄存器組(RegisterFile)的Write Reg端的可能是rt，也可能是rd，因此在這裏要依據控制信號來選擇寄存器
輸入：RegDst，RegIn1(rt), RegIn2(rd)
輸出：RegOut(寄存器組的Write Reg輸入)
根據傳入的RegDst來選擇寄存器，如圖
1.4.RegisterFile(寄存器組)：
大多數指令涉及寄存器，寄存器組管理32個寄存器，同時可以獲取不同寄存器的值，可以修改允許修改的寄存器的值
輸入：RegWre，CLK，RegIn1(寄存器的編號)，RegIn2(寄存器的編號)，Write_Reg，WriteData
輸出：RegOut1(RegIn1號寄存器的值)，RegOut2(RegIn2號寄存器的值)
由於0號寄存器默認值爲0，不能被寫入，只能讀取，我通過
來屏蔽0號寄存器，實際上這個寄存器並不物理存在，爲確保0號寄存器不被寫入，在時鐘下降沿時
If語句規定只有當寫寄存器編號不爲0時纔會執行寫操作
1.5.Sign_Zero_Extend(位擴展器)：
指令中的立即數是16位的，要進入ALU的輸入端則必須變爲32位，邏輯操作(與、或)使用的是無符號擴展；加、減等操作使用的是有符號擴展
輸入：Imm_Number(指令中的立即數，16位)，ExtSel
輸出：Result
1.6.Mux_TwoToOne_For_ALU_InputA(ALU輸入A端數據選擇器)：
通常ALU的A輸入端口是寄存器組1號輸出端口輸出的rs寄存器的值，但是當操作爲sll時，應該是指令中的sa段，但是sa只有5位，所以這個選擇器的功能有兩個：1.將sa通過無符號擴展變爲32位；2.根據控制信號ALUSrcA判斷輸入到ALU的值應該是寄存器組傳入的值還是sa的值
輸入：ALUSrcA，Reg1Out，sa
輸出：DataOut(ALU_Input_A)
數據選擇通過如圖實現
1.7.Mux_TwoToOne_For_ALU_InputB(ALU輸入B端數據選擇器)：
ALU的B輸入端可能來自於寄存器組2號輸出端口輸出的rt寄存器的值，也可能是指令中立即數的值，所以需要這個選擇器來選擇ALU的B的輸入
輸入：ALUSrcB，Reg2Out，immediate(來自位擴展器)
輸出:DataOut(ALU_Input_B)
模塊與Mux_TwoToOne_For_ALU_InputA類似，不需要位擴展
1.8.Mux_TwoToOne_For_RegisterFile_WriteData(寄存器輸入WriteData端數據選擇器)：
操作入lw，add需要對寄存器進行寫操作，目標數據可能來自於ALU的結果(如add)也可能來自存儲器中(如lw)，所以需要這個選擇器對進入寄存器輸入WriteData端的數據進行選擇
輸入：DBDataSrc，ALU_Out，MemDataOut(來自數據存儲器)
輸出：WriteData
和Mux_TwoToOne_For_ALU_InputB所用模塊相同，只需要修改對應參數即可
1.9.ALU(運算單元)：
大多數操作都可能用到ALU，包括add，sll，sub等，ALU負責的是對數據進行基本的算術操作，根據實驗內容部分ALU運算表可以定義相關方法，zero輸出端是判斷運算結果是否爲0的，主要用處是在beq中，判斷兩個值是否相等就是將其相減並判斷結果是否與0相等，ALU輸出的值可能是一個具體的數據(如add)，也可能是某個地址(如sw、lw)
輸入：ALU_Input_A，ALU_Input_B，ALUOp
輸出：ALU_Out，zero
ALUOp是具體的操作指示碼，根據它的值ALU_Out的會有相應的結果
1.10.DataMemory(數據存儲器)：
lw操作和sw操作關係到了數據的存儲，那麼我就製作了一個數據存儲器用於存放數據。爲了保證該模擬CPU的穩定性，我設計數據存儲器的讀操作是隨時的，存儲單元寬度爲8位，同樣採用大端規則存儲
而寫操作是時鐘下降沿觸發
1.11.ControlUnit(控制單元)：
作爲CPU的大腦，獲取指令操作碼進行解析，發出相應的控制信號，指揮所有組件的工作。根據數據通路圖，每種指令操作碼的控制信號真值表如圖
x表示可以爲任意值並不影響結果，InsMemRW一直爲0，但我沒有刪掉這個控制信號，因爲以後的功能擴展可能會用到
輸入：opCode(指令碼的高6位)，zero(用於判斷beq是否需要跳轉)
輸出：每種操作信號
根據真值表可以很好確定對應控制信號的值
值得注意：ALUOp的最高位在最左邊
SCPU(單週期CPU)：
作爲頂層模塊，包含上述所有組件
輸入：CLK,Reset
輸出：CurPC，instcode(指令碼)
作爲整體的設計，要弄清楚不同組件的數據傳遞關係，根據數據通路圖以及設計的組件可繪製出下圖
所以很明確頂層模塊需要實例化每個組件，並將相關數據、控制信號聯繫起來
2.仿真測試：
在InstructionMemory模塊中採取了$readmemb方法，所以通過文件寫入,指令真值表爲
在txt文檔中寫
因爲$readmemb是一個字節一個字節的讀，所以字節與字節之間要用製表符或者空格之類的分隔符分開，之前因爲這個原因總是讀不了指令
在完成所有組件的定義後，新建一個仿真組件SCPU_sim
並初始化
就可以啓動仿真了
這是執行左移位操作時的仿真波形
要驗證仿真是否正確，可以在每個週期查看對應組件中的I/O，雖然看起來很複雜，但是如果已經理解了數據通路圖，則能夠快速準確的驗證。比如查看RegisterFile
此時已經驗證384被成功寫入，384 = 12 * 2^5
總結
創建一個單週期CPU，數據的流動必須要搞清楚，建議自上而下設計，根據總體需要什麼來設計相應組件，其次，數據通路圖很重要，它概括了一個項目所要攻克的所有問題，建議頭腦比較混亂的時候多寫寫，多畫畫，認真思考，一定可以做出來(我一開始也覺得根本做不出來)
關於vivado我也有了一點認識，input關鍵字表明這個參數是外界傳入的，仿真時必須賦值；output則表示是傳出外界的，在仿真時會在示波器中顯示相應波形。而reg、wire關鍵字都可以作爲該組件的內部屬性，這些屬性對於其它組件來說是透明的
但是還是有bug，我的對數據存儲器讀的操作是隨時的，但仿真結果是下降沿纔開始讀，還在嘗試解決中
如果有什麼不足，請提出我好改進，感謝！