🎯 第05课：程序计数器

🧠 程序计数器是什么？

程序计数器是一个16位寄存器，保存着下一条要执行的指令在内存中的地址。CPU每执行一条指令，PC就会更新——通常是递增到下一条指令，但分支和跳转指令会改变PC的值，从而改变执行流。

🔧 Verilog实现

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// pc_ctrl.v - 程序计数器控制
// Retro8 复古电脑 CPU 核心模块
// ✅Verilator验证通过
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module pc_ctrl (
    input  wire          clk,
    input  wire          rst_n,
    input  wire [15:0]  pc_next,     // 来自外部的新PC值(跳转/中断)
    input  wire [7:0]   offset,      // 条件分支偏移(有符号)
    input  wire [1:0]   pc_src,      // PC更新源选择
    input  wire [1:0]   insn_len,    // 当前指令长度
    input  wire          branch_take, // 分支条件满足
    input  wire          pc_enable,   // PC更新使能
    output reg  [15:0]  pc,          // 当前PC值
    output wire [15:0]  pc_plus,     // PC + insn_len
    output wire [15:0]  pc_branch    // PC + offset
);

    // 顺序递增：PC + 指令长度
    assign pc_plus = pc + {{14'd0, insn_len}};

    // 条件分支：PC + 有符号偏移
    // 将8位有符号偏移符号扩展到16位
    wire [15:0] sign_ext_offset = {{8{offset[7]}}, offset};
    assign pc_branch = pc_plus + sign_ext_offset;

    // PC更新逻辑
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            pc <= 16'h8000;  // 复位后从ROM起始地址开始
        end
        else if (pc_enable) begin
            case (pc_src)
                2'b00: pc <= pc_plus;                    // 顺序执行
                2'b01: pc <= branch_take ? pc_branch : pc_plus;  // 条件分支
                2'b10: pc <= pc_next;                     // 绝对跳转
                2'b11: pc <= pc_next;                     // 中断向量
                default: pc <= pc_plus;
            endcase
        end
    end

endmodule

🔍 设计要点分析

// 符号扩展：将8位有符号数扩展到16位
wire [15:0] sign_ext_offset = {{8{offset[7]}}, offset};
// 例如：offset=0xFE (-2) → 0xFFFE
//       offset=0x05 (+5) → 0x0005

🧪 仿真验证

// tb_pc_ctrl.cpp - PC控制测试台
#include "Vpc_ctrl.h"
#include "verilated.h"
#include <cstdio>

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

    // 复位
    pc->rst_n = 0; pc->clk = 0; pc->pc_enable = 0;
    for (int i = 0; i < 10; i++) { pc->clk = !pc->clk; pc->eval(); }
    pc->rst_n = 1;
    if (pc->pc != 0x8000) { printf("FAIL: PC after reset = %04X
", pc->pc); errors++; }
    else printf("PASS: PC = 0x8000 after reset
");

    // 顺序递增：2字节指令
    pc->pc_src = 0; pc->insn_len = 2; pc->pc_enable = 1;
    pc->clk = 1; pc->eval(); pc->clk = 0; pc->eval();
    if (pc->pc != 0x8002) { printf("FAIL: PC+2 = %04X
", pc->pc); errors++; }
    else printf("PASS: PC = 0x8002 after +2
");

    // 条件分支（taken）：offset = -4 (0xFC)
    pc->pc_src = 1; pc->offset = 0xFC; pc->branch_take = 1;
    pc->clk = 1; pc->eval(); pc->clk = 0; pc->eval();
    // PC = 0x8002 + 2 + (-4) = 0x8000
    if (pc->pc != 0x8000) { printf("FAIL: branch = %04X
", pc->pc); errors++; }
    else printf("PASS: branch to 0x8000
");

    // 绝对跳转
    pc->pc_src = 2; pc->pc_next = 0xABCD;
    pc->clk = 1; pc->eval(); pc->clk = 0; pc->eval();
    if (pc->pc != 0xABCD) { printf("FAIL: jump = %04X
", pc->pc); errors++; }
    else printf("PASS: jump to 0xABCD
");

    printf("
Errors: %d
", errors);
    if (errors == 0) printf("ALL TESTS PASSED! ✅
");
    pc->final(); delete pc;
    return errors ? 1 : 0;
}

📝 练习

🏆 成就解锁