💾 第03课：寄存器文件

🧠 寄存器文件是什么？

寄存器文件是一组高速存储单元，直接嵌入CPU内部，是CPU执行指令时最快的数据存储方式。在我们的8位电脑中，8个8位寄存器构成了CPU的核心工作空间——几乎所有指令都需要读写寄存器。

📐 寄存器分配策略

🔧 Verilog实现

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// regfile.v - 8×8位寄存器文件
// Retro8 复古电脑 CPU 核心模块
// ✅Verilator验证通过
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module regfile (
    input  wire          clk,      // 系统时钟
    input  wire          rst_n,    // 低有效复位
    input  wire [2:0]   rs1,      // 读端口1选择
    input  wire [2:0]   rs2,      // 读端口2选择
    input  wire [2:0]   ws,       // 写端口选择
    input  wire [7:0]   wd,       // 写数据
    input  wire          we,       // 写使能
    output wire [7:0]   rd1,      // 读端口1输出
    output wire [7:0]   rd2       // 读端口2输出
);

    // 8个8位寄存器
    reg [7:0] regs [0:7];

    // 复位初始化
    integer i;
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            for (i = 0; i < 8; i = i + 1)
                regs[i] <= 8'd0;
            // R7(SP)初始化为栈顶地址
            regs[7] <= 8'h7F;
        end
        else if (we && (ws != 3'd0)) begin
            // 写使能有效且目标非R0时写入
            regs[ws] <= wd;
        end
    end

    // 读端口1：R0硬连线为0
    assign rd1 = (rs1 == 3'd0) ? 8'd0 : regs[rs1];
    // 读端口2：R0硬连线为0
    assign rd2 = (rs2 == 3'd0) ? 8'd0 : regs[rs2];

endmodule

🔍 设计要点分析

// 写保护：R0不可写
else if (we && (ws != 3'd0)) begin
    regs[ws] <= wd;
end

// 读保护：R0读出为0
assign rd1 = (rs1 == 3'd0) ? 8'd0 : regs[rs1];

🧪 仿真验证

// tb_regfile.cpp - 寄存器文件测试台
#include "Vregfile.h"
#include "verilated.h"
#include <cstdio>

int main(int argc, char** argv) {
    Verilated::commandArgs(argc, argv);
    Vregfile* rf = new Vregfile;
    int errors = 0;

    // 复位
    rf->rst_n = 0; rf->clk = 0; rf->we = 0;
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        rf->clk = !rf->clk; rf->eval();
    }
    rf->rst_n = 1;

    // 验证复位后R0=0
    rf->rs1 = 0; rf->eval();
    if (rf->rd1 != 0) { printf("FAIL: R0 after reset = %d
", rf->rd1); errors++; }
    else printf("PASS: R0 = 0 after reset
");

    // 验证R7(SP)初始化
    rf->rs1 = 7; rf->eval();
    if (rf->rd1 != 0x7F) { printf("FAIL: R7(SP) = %d
", rf->rd1); errors++; }
    else printf("PASS: R7(SP) = 0x7F
");

    // 写入R1=42
    rf->ws = 1; rf->wd = 42; rf->we = 1;
    rf->clk = 1; rf->eval(); rf->clk = 0; rf->eval();
    rf->we = 0;

    // 读回R1
    rf->rs1 = 1; rf->eval();
    if (rf->rd1 != 42) { printf("FAIL: R1 = %d (expected 42)
", rf->rd1); errors++; }
    else printf("PASS: R1 = 42
");

    // 尝试写入R0（应该被忽略）
    rf->ws = 0; rf->wd = 99; rf->we = 1;
    rf->clk = 1; rf->eval(); rf->clk = 0; rf->eval();
    rf->we = 0;
    rf->rs1 = 0; rf->eval();
    if (rf->rd1 != 0) { printf("FAIL: R0 writable! = %d
", rf->rd1); errors++; }
    else printf("PASS: R0 still 0 after write attempt
");

    // 双端口同时读
    rf->rs1 = 1; rf->rs2 = 7; rf->eval();
    printf("Dual read: R1=%d, R7=%d
", rf->rd1, rf->rd2);

    printf("
Errors: %d
", errors);
    if (errors == 0) printf("ALL TESTS PASSED! ✅
");

    rf->final(); delete rf;
    return errors ? 1 : 0;
}

📝 练习

🏆 成就解锁