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ALUの制御

第４版上巻p.291の「ALU制御ユニット」の項を参考にして、ALUを制御するためのユニットを設計します。

まずここで設計するALU制御ユニットのテンプレートは以下のようになります。

module  ALUcontrol(ALUop,FA, FB, ALUoperation );    
      
input [1:0]     ALUop; 
input [5:0]     FA;// {F5,F4,F3,F2,F1,F0} 
input [5:0]     FB;// {F31,F30,F29,F28,F27,F26} 
output [3:0]    ALUoperation; 
wire        ALUOperation0, ALUOperation1, ALUOperation2; 
      
      assign ALUoperation0 = ...; 
      
      assign ALUoperation1 = ...; 
      
      assign ALUoperation2 = ...; 
      
      assign ALUoperation = {...}; 
endmodule     

ALUop(2 bit)は主制御ユニットからの入力です。FAとFB(それぞれ6 bit)も入力です。 これはMIPS命令(32 bit)の一部を表します。 命令の各ビットを下位からF0-F31とした時に、FAはF0 - F5を、FBはF26 - F31を表すこととします。 ALU制御ユニットはALUop, FA, FBを組み合わせて、 教科書にあるようにALUを制御するための4 bitの信号を作る必要があります（図4.12と4.13)。 今回設計するプロセッサでは、イミディエート命令を追加するため、以下の修正が必要です。

追加されるイミディエート命令は、命令語の上位6ビット(FB)に演算の種類が入っているため、 イミディエート命令をサポートするためには、上位6ビットの内容もALU制御ユニットに入力しなければなりません。 さらに、何らかの手段によってALU制御ユニットに、現在実行中の命令がイミディエート命令であることを伝えなくてはなりません。

ここでは、ALUOpで未使用の組み合わせだった"2'b11"という値をイミディエート命令であることを表すことにします。 この結果、図4.12のALU制御ビットの構成は次のように変更されます。

上記の表に対応して、教科書図4.13、ALU制御コードの真理値表も以下のように拡張されます。

この真理値表をもとにして、出力であるALUoperation(4 bit)を設計してください。 まず、真理値表から、ALUoperation[3]は常に偽(0)であることがわかります。 他のビットは、それが真(1)になるになる条件を考えてください。 例えば、ALUoperation[2]が真になる組み合わせは：

の時です。

この真理値表の1行目だけを考慮すると、assign文を使って

  assign ALUoperation[2] = (ALUop[1] == 1'b0 && ALUop[0] == 1'b1);

または

  assign ALUoperation[2] = (ALUop == 2'b01);

と書くことができます。この文は括弧内の条件が満たされた時にALUoperation[2]が真となることを意味します。 真理値表の他の行もあわせて正しくなるように、ALUoperation[2]を定義してください。

ALUoperation[1]とALUoperation[0]は同様に真理値表を求めてから、assing文を考えてください。

課題：ALU制御ユニットを設計する

以上の説明に従ってALU制御ユニット(ファイル名"ALUControl.v")を設計しなさい。

設計するALU制御ユニットへの入力は"ALUop"と"FA"と"FB"であり、最初の図よりその組合せは11パターンあります (LWとSWは入力が同じのため)。 この11パターンの場合に正しい動作をするかどうかを、以下のテストベンチの例を参考にして動作検証をしなさい。

テストベンチのテンプレート：

`timescale 1ns/1ps      
      
`include "ALUcontrol.v"   
      
module  ALUcontroltestbench; 
      
reg [1:0]     ALUop; 
reg [5:0]     FA; 
reg [5:0]     FB; 
wire [3:0]   ALUoperation;

ALUcontrol     aluc(ALUop, FA, FB, ALUoperation); 
      
initial      
 begin      
      
  $dumpfile("ALUcontroltestbench.vcd");      
  $dumpvars(0, aluc);      
      
  #0 ALUop = 2'b00;  FA= 6'b000000;  FB= 6'b000000;  // LW&SW
      
  #100 
      
  $display( $time, " ALUoperation=%h", ALUoperation); // should be "0010"     
      
  ALUop = 2'b01;  FA= 6'b000000;  FB= 6'b000000;  // Branch on Equal
     
  #100       
      
  $display( $time, " ALUoperation=%h", ALUoperation); // should be "0110"     
      
//  以下残りの9パターンについて繰り返し
 
  $finish;       
 end      
endmodule