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メモリとレジスタ

課題1 レジスタの利用方法

以下のテストベンチは、レジスタファイルをインスタンス化して、$a0レジスタに"0xffffffff"を書き込んでいる。

`timescale 1ns/1ps
`include "Registers.v"

module  RegTest;
   reg [4:0]  read_adr1,  read_adr2,  write_adr;
   reg [31:0] write_data;
   reg        write_enable;
   reg        ck,clear;
   wire [31:0] read_data1, read_data2;

   Registers regs(read_adr1, read_adr2, write_data, write_enable, write_adr, ck, clear, read_data1, read_data2);

   initial
     begin
        $dumpfile("RegTest.vcd");
        $dumpvars(0, RegTest);


        #0
        ck = 1'b1;
        clear = 1'b1;

        #110
        clear = 1'b0;

        #190
        read_adr1 = 5'b00100;

        #100
        write_enable = 1'b1;
        write_adr  = 5'b00100;
        write_data = 32'hffffffff;
        $display("%x %x",read_adr1, read_data1);

        #100
        write_enable = 1'b0;
        $display("%x %x",read_adr1, read_data1);

        #900

        $finish;
     end // initial begin

   always #50 ck = ~ck;
endmodule

これを参考にして、以下のテーブルに示すように、レジスタに値の値を書き込んで、読み出すテストベンチを作成し実行したうえで、クロック信号(ck)、読み出しているレジスタのアドレス(read_adr1)と読み出し結果(read_data1)の波形を確認しなさい。波形には、この三つの信号のみを表示すること。表示する順番は、小さいアドレスから大きいアドレスになるようにすること。なお、表示している信号名がわかるようにすること。

レジスタ	値
$sp	0xfffff
$v0	0xfafa
$v1	0x1010
$t0	0xffffffff
$t1	0xaaaaaaaa
$ra	0x98765432
$t2	0x98765432
$t3	0x12121

波形の例

以下のように各レジスタにデータを書き込んだ場合：

$at	0xf
$v0	0xff
$v1	0xfff
$a0	0xffff

実行結果の波形の例：

課題2 メモリの利用方法

以下のテストベンチファイルでは、レジスタファイルとメモリとALUをインスタンス化し、テストするためのテンプレートである。

`timescale 1ns/1ps
`include "Registers.v"
`include "Memory.v"
`include "ALU.v"

module  MemTest;
   // for Memory
   reg [31:0] address;
   reg [31:0] write_data;
   reg        write_enable, read_enable;
   reg        ck;
   wire [31:0] read_data;

   // for Registers
   reg [4:0]  read_adr1_reg, read_adr2_reg, write_adr_reg;
   reg [31:0] write_data_reg;
   reg        write_enable_reg;
   reg        clear_reg;
   wire [31:0] read_data1_reg, read_data2_reg;

   // for ALU
   reg [31:0]  A, B;
   reg [3:0]   ALUop;
   wire        Zero;
   wire [31:0] Result;
      
   Memory    mem(address, write_data, read_data, write_enable, read_enable, ck);

   Registers regs(read_adr1_reg, read_adr2_reg, write_data_reg, write_enable_reg, write_adr_reg,
		  ck, clear_reg,
		  read_data1_reg, read_data2_reg);

   ALU       alu(A, B, ALUop, Result, Zero);
      
   initial
     begin
        $dumpfile("MemTest.vcd");
        $dumpvars(0, MemTest);
	
	// data segment
	Mem.cell['h00005000] = 32'h0000000a;
	Mem.cell['h00005004] = 32'h0000000b;
	Mem.cell['h00005008] = 32'h00000000;
	Mem.cell['h00005010] = 32'h00000000;
	Mem.cell['h00005014] = 32'h00000000;
	Mem.cell['h00005018] = 32'h00000000;

        #0
        ck = 1'b1;
        clear_reg = 1'b1;
	
	read_enable = 1'b0;
	address = 32'h00000000;
	write_enable_reg = 1'b0;	
	write_adr_reg    = 5'b00000;	
	write_data_reg   = 32'h00000000;
	
        #110
        clear_reg = 1'b0;

        #190 // read memory at 0x5000
	read_enable = 1'b1;
    	address = 32'h00005000;

	#100 // write data to $v0 and read memory at 0x5004
        write_enable_reg = 1'b1;
	write_adr_reg    = 5'b00010;
	write_data_reg   = read_data;

	#100
	read_enable = 1'b0;
        write_enable_reg = 1'b0;

	#100
	read_adr1_reg = 5'b00010;

	#100
        $display("$v0 = %x",read_data1_reg);	  

	#2000
	
        $finish;
     end // initial begin
   
   always #50 ck = ~ck;
endmodule

実行結果は以下のようになるはずである。

% ncverilog test_mem.v

....省略

ncsim> run
$v0 = 0000000a

....省略

ちなみに、以下の部分でメモリからデータを読み出し、レジスタファイル($v0)に書き込んでいる。

        #190 // read memory at 0x5000
        read_enable = 1'b1;
        address = 32'h00005000;

        #100 // write data to $v0
        write_enable_reg = 1'b1;
        write_adr_reg    = 5'b00010;
        write_data_reg   = read_data;

        #100
        read_enable = 1'b0;
        write_enable_reg = 1'b0;

実行結果の波形の例：

このテンプレートを元にして、アドレス0x5000と0x5004にあるデータを演算した結果を、再びメモリに書き込むテストベンチを作成せよ。格納アドレスと演算結果の対応は以下の通りとする。特に、レジスタへの読み書き、演算をして結果をメモリに書き込む部分の波形を確認すること。

0x5008	加算
0x500c	減算
0x5010	AND演算
0x5014	3*"0x5000のデータ"+"0x5004のデータ"