Уровень 44: Мозг процессора

Задание

Реализуйте дешифратор инструкций (Control Unit) — ключевой узел процессора, который преобразует код операции (opcode) в управляющие сигналы.

Модуль ControlUnit принимает 4-битный opcode и выдаёт 4 управляющих сигнала:

• RegWrite — разрешение записи в регистр (ADD, AND).
• MemWrite — запись в память (STA).
• ALUSel — выбор операции АЛУ: 0=сложение, 1=AND.
• Branch — сигнал перехода (JMP).

Распознаваемые опкоды (мини-ISA):

Используйте только вентили AND, OR, NOT (структурный подход). Запрещены assign, if, case, always.

Решение

Дешифратор строится как комбинация деревьев распознавания для каждого опкода. Алгоритм:

1. Инвертируем все биты opcode: n0 = NOT opcode[0], …, n3 = NOT opcode[3].
2. Детектируем каждый опкод AND-деревом из инвертированных/прямых битов.
3. Объединяем сигналы через OR для выходов, активных на нескольких опкодах.

module ControlUnit(
    input wire [3:0] opcode,
    output wire RegWrite,
    output wire MemWrite,
    output wire ALUSel,
    output wire Branch
);
  wire n0, n1, n2, n3;
  not g0(n0, opcode[0]);
  not g1(n1, opcode[1]);
  not g2(n2, opcode[2]);
  not g3(n3, opcode[3]);

  // opcode=0 (ADD): все биты 0
  wire add_t1, add_t2, op_add;
  and ga1(add_t1, n0, n1);
  and ga2(add_t2, n2, n3);
  and ga3(op_add, add_t1, add_t2);

  // opcode=1 (AND): opcode[0]=1, остальные 0
  wire and_t1, and_t2, op_and;
  and gb1(and_t1, opcode[0], n1);
  and gb2(and_t2, n2, n3);
  and gb3(op_and, and_t1, and_t2);

  // opcode=2 (STA): opcode[1]=1, остальные 0
  wire sta_t1, sta_t2, op_sta;
  and gc1(sta_t1, n0, opcode[1]);
  and gc2(sta_t2, n2, n3);
  and gc3(op_sta, sta_t1, sta_t2);

  // opcode=3 (JMP): opcode[0]=1, opcode[1]=1
  wire jmp_t1, jmp_t2, op_jmp;
  and gd1(jmp_t1, opcode[0], opcode[1]);
  and gd2(jmp_t2, n2, n3);
  and gd3(op_jmp, jmp_t1, jmp_t2);

  // Выходы: OR объединяет опкоды
  or grw(RegWrite, op_add, op_and);
  or galusel(ALUSel, op_and, op_and);
  or gmem(MemWrite, op_sta, op_sta);
  or gbr(Branch, op_jmp, op_jmp);
endmodule

Всего: 4×NOT, 12×AND, 4×OR. Каждый опкод детектируется тремя AND: два AND объединяют пары битов, третий AND объединяет результаты. Opcode 4–15 не активируют ни одного детектора → все выходы = 0 (NOP).