简易CPU设计入门：译码模块（一）

项目代码下载

还是请大家首先准备好本项目所用的源代码。如果已经下载了，那就不用重复下载了。如果还没有下载，那么，请大家点击下方链接，来了解下载本项目的CPU源代码的方法。

下载本项目代码

准备好了项目源代码以后，我们接着去讲解。

本节前言

有一段时间没写本专栏的教程了。在之前的章节里，我是讲解了系统初始化模块和取指令模块。取完了指令以后，我们来讲解译码模块。

一. 代码展示

首先呢，让我们来看一看译码模块的全部代码。

module decode_unit
(
	input wire sys_clk,
	input wire sys_rst_n,
	input wire decode_en,
	input wire [15:0] instruct_word,
	
	output reg decode_done,
	output reg [4:0] op_code,
	output reg [2:0] reserve_bit,
	output reg [7:0] op_rand
);

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
	if (sys_rst_n == 1'b0)
	begin
		decode_done <= 1'b0;
		op_code <= 5'h0;
		reserve_bit <= 3'h0;
		op_rand <= 8'h0;
	end
	else if (decode_en == 1'b1)
	begin
		decode_done <= 1'b1;
		op_code <= instruct_word[15:11];
		reserve_bit <= 3'h0;
		op_rand <= instruct_word[7:0];
	end
	else
	begin
		decode_done <= 1'b0;
		op_code <= op_code;
		reserve_bit <= reserve_bit;
		op_rand <= op_rand;
	end

endmodule

不知道，是否因为，我学习电子学的Verilog HDL与数字电路的时间太短。我写完了译码模块以后，我自己都没想到，没想到译码单元竟然是这么少。译码模块，就是传说中的译码器。

在我这里，译码器模块，只有37行。

上面的代码块中的代码，位于【\cpu_me01\code】路径里面，代码文件的名字为【decode_unit.v】。

二. 输入信号

我们来看一看代码中的输入信号。

图1中的3到6行，便是输入信号了。第3行与第4行，这俩是系统时钟与系统复位信号。其中，系统复位信号为低电平有效。值得关注的是第5行和第6行的译码使能信号【decode_en】与指令字信号【instruct_word】。

首先，我来说一说【字】的概念。在英特尔汇编里面，字可以指一种数据类型，它是16比特长度的整数，也就是相当于C语言中的【unsigned short】。而在学习一些个计算机技术领域的英文文档时，字往往是指连续多个比特组成的数据结构，它可能是一个字节的长度，也有可能是多个字节的长度。

在计算机技术里面，谈到字，首先它是有着一定的长度的，由连续的比特构成。第二，比特组合里面，它有着一定的格式。不同的位，或者不同的位的组合，会代表着不同的含义。

本节所述的指令字【instruct_word】，它是16位的长度，和汇编语言中的字型数据的长度相同。在这个16位的长度的比特组合里面，它包含有3个组成部分，分别是操作码，操作数和保留位。至于说，是怎么包含的，我们以后再讲。

译码使能信号【decode_en】和指令字信号【instruct_word】均来自于取指令模块的输出信号。我们来看一看它们的生成于连接情况。

本模块中的译码信号【decode_en】和指令字信号【instruct_word】分别对应着取指令模块中的译码使能信号【decode_en】和指令码【instruct_code】信号。

从图2可以看出，当取指令模块检测到【rd_en_d1】为1的时候，取指令模块中的【decode_en】变为高电平，同时【instruct_code】信号被赋值为有效的值。还可以看到，取指令模块中的【decode_en】信号和【instruct_code】信号同时变为有效，并且译码使能信号【decode_en】仅仅维持一个时钟周期。

图2显示了取指令模块的【decode_en】和【instruct_code】信号的生成情况。接下来，我们去本项目的顶层模块【cpu_top】中查看一下连接情况。

在图3里面，我们可以看到，我在顶层模块里面申请的几个用于连接不同模块的变量。其中呢，红色框线所示的第13行和第14行，显示了我所声明的译码使能【decode_en】信号和指令字信号【instruct_word】。

我们接着看。

图4中，我们可以看到，取指令模块的【decode_en】和【instruct_code】信号，分别连接到顶层模块的【decode_en】和【instruct_word】变量。

我们接着看。

如图5的红色框线所示，顶层模块中的【decode_en】与【instruct_word】分别连接到本模块的同名信号。

这样一来，我们就清楚了本模块的输入信号【decode_en】与【instruct_word】的来源了。

三. 输出信号

讲完了输入信号以后，我们再来讲解输出信号。

在图1副本中，我们去看8到11行的代码。这里呢，包括两部分，第一部分呢，是译码完成信号【decode_done】，第二部分，是对输入的指令字的分解出来的各部分信号，分别是操作码【op_code】，操作数【op_rand】，还有保留位。

我们还是来看一下代码。

在图6中，主要是输出信号的逻辑。我们首先来看译码完成信号【decode_done】。它的逻辑，根据图6的代码，我们可以看到，当系统复位信号为低电平有效时，它是0值。当系统监测到输入信号译码使能【decode_en】为1时，译码使能信号【decode_done】被非阻塞赋值为1。然后呢，在else分支里面，【decode_done】又变为了0值。输入信号中的译码使能信号【decode_en】仅仅是维持一个时钟周期的高电平，所以呢，本模块中的【decode_done】信号也是仅仅维持着一个时钟的高电平。

也就是说，本模块的输出信号，译码完成信号【decode_done】，也是仅仅维持一个时钟周期的高电平。仅当检测到输入信号，译码使能信号【decode_en】为1时，译码完成信号【decode_done】才变为1，且仅仅维持一个时钟周期的高电平，随即又变为0值。

说完了这个译码完成信号以后，我们再来说其余的三个输出信号。

在输入信号里面，指令字信号【instruct_word】是一个16比特的信号。对于这个信号，本模块，也就是译码模块，需要将其分为三个部分。第一部分，是它的位15到位11，这一部分，我们要将其提取出来，并赋给输出信号，操作码【op_code】。第二部分，是位10到位8，我们忽略这三位的信号值，并固定地，将【3'h0】赋给输出信号，保留位【reserve_bit】。第三部分，是位7到位0，我们要将其提取出来，并赋给输出信号，操作数【op_rand】。

我们来看一看图6中，关于【op_code】，【reserve_bit】与【op_rand】的情形，基本上与我的讲述是一致的。。

操作码【op_code】，保留位【reserve_bit】和操作数【op_rand】，在系统复位信号为有效的低电平时，均为0值。而在检测到高电平有效的译码使能信号【decode_en】以后，将输入的指令字信号【instruct_word】的位选 [15:11] 赋给了【op_code】，将保留位【reserve_bit】设置为固定的【3'h0】,将【instruct_word】的位选 [7:0] 赋给了【op_rand】。当仅仅维持一个有效的高电平信号，译码使能信号变为低电平时，操作码【op_code】，保留位【reserve_bit】和操作数【op_rand】维持不变。