# Лабораторная работа 4 "Примитивное программируемое устройство"

В этой лабораторной работе на основе ранее разработанных блоков памяти и АЛУ ты соберешь простой учебный процессор с архитектурой `CYBERcobra 3000 Pro 2.1`. Это нужно для более глубокого понимания принципов работы программируемых устройств, чтобы проще было понять архитектуру RISC-V в будущем.

## Допуск к лабораторной работе

Для выполнения этой лабораторной работы, необходимо в полной мере освоить следующие элементы синтаксиса языка SystemVerilog:

1. Описание модулей, их создание внутри других модулей и оператор непрерывного присваивания `assign` ([Modules.md](../../Basic%20Verilog%20structures/Modules.md)).
2. Описание мультиплексоров: с помощью `тернарного оператора`, блоков `case` и `if/else`. Знать особенности использования этих блоков и особенности синтеза комбинационной логики внутри блока `always` ([Multiplexors.md](../../Basic%20Verilog%20structures/Multiplexors.md)).
3. Описание регистров ([Registers.md](../../Basic%20Verilog%20structures/Registers.md)).
4. Оператор конкатенации ([Concatenation.md](../../Basic%20Verilog%20structures/Concatenation.md)).
5. Отладку проекта по временной диаграмме ([Debug manual.md](../../Vivado%20Basics/Debug%20manual.md)).

## Цель

Реализовать простейшее программируемое устройство с архитектурой `CYBERcobra 3000 Pro 2.1`

## Ход работы

1. Изучить принцип работы процессоров (соответствующий раздел [#теории](#теория-про-программируемое-устройство))
2. Познакомиться с архитектурой и микроархитектурой `CYBERcobra 3000 Pro 2.1` (раздел про эту [#архитектуру](#архитектура-cybercobra-3000-pro-21-и-ее-микроархитектура))
3. Изучить необходимые для описания процессора конструкции SystemVerilog (раздел [#инструменты](#инструменты-для-реализации-процессора))
4. Реализовать процессор с архитектурой `CYBERcobra 3000 Pro 2.1` ([#задание по разработке аппаратуры](#задание-по-реализации-процессора))
5. Проверить работу процессора в ПЛИС.

Доп. задание, выполняемое дома:

6. Написать программу для процессора и на модели убедиться в корректности ее выполнения ([Индивидуальное задание](Индивидуальное%20задание)).

> Для того, чтобы номера таблиц и рисунков лучше соотносились друг с другом и сопутствующим текстом, первая схема разрабатываемой микроархитектуры будет обозначена как Рисунок 0. Все последующие схемы будут совпадать по нумерации с таблицами, обозначающими способ кодирования инструкций.

## Теория про программируемое устройство

В обобщенном виде, процессор включает в себя память, АЛУ, устройство управления и интерфейсную логику для организации ввода/вывода. Также, в процессоре есть специальный регистр `PC` (**Program Counter** – счетчик команд), который хранит в себе число – адрес ячейки памяти, в которой лежит инструкция, которую нужно выполнить. Инструкция тоже представляет собой число, в котором закодировано `что нужно сделать` и `с чем это нужно сделать`.

Алгоритм работы процессора следующий:

1. Из памяти считывается инструкция по адресу `PC`
2. Устройство управления дешифрует полученную инструкцию (то есть определяет какую операцию нужно сделать, где взять операнды и куда разместить результат)
3. Декодировав инструкцию, устройство управления выдает всем блокам процессора (АЛУ, регистровый файл, мультиплексоры) соответствующие управляющие сигналы, тем самым выполняя эту инструкцию.
4. Изменяется значение `PC`.
5. Цикл повторяется с `п.1`.

Любая инструкция приводит к изменению состояния памяти. В случае процессора с архитектурой `CYBERcobra 3000 Pro 2.1` есть два класса инструкций: одни изменяют содержимое регистрового файла — это инструкции записи. Другие изменяют значение `PC` — это инструкции перехода. В первом случае используются вычислительные инструкции и инструкции загрузки данных из других источников. Во-втором случае используются инструкции перехода.

Если процессор обрабатывает вычислительную инструкцию, то `PC` перейдет к следующей по порядку инструкции. На лабораторной работе, посвященной памяти, мы сделали память инструкций с [побайтовой адресацией](../03.%20Register%20file%20and%20memory/README.md#1-память-инструкций). Это означает, что каждый байт памяти имеет свой собственный адрес. Поскольку длина инструкции составляет `4 байта`, для перехода к следующей инструкции `PC` должен быть увеличен на `4` (`PC = PC + 4`). При этом, регистровый файл сохранит результат некоторой операции на АЛУ или данные со входного порта.

Если же обрабатывается инструкция перехода, то возможно два варианта. В случае безусловного или успешного условного перехода, значение `PC` увеличится на значение константы, закодированной внутри инструкции `PC = PC + const*4` (иными словами, `const` говорит о том, через сколько инструкций перепрыгнет `PC`, `const` может быть и отрицательной). В случае же неуспешного условного перехода `PC`, как и после вычислительных команд, просто перейдет к следующей инструкции, то есть `PC = PC + 4`.

> Строго говоря `PC` меняется при выполнении любой инструкции (кроме случая `const = 0`, то есть перехода инструкции на саму себя `PC = PC + 0*4`). Разница в том, на какое значение `PC` изменится. В вычислительных инструкциях это всегда адрес следующей инструкции, программа не управляет `PC`, он "сам знает", что ему делать. В инструкциях перехода программа и контекст определяют, что произойдет с `PC`.

## Архитектура CYBERcobra 3000 Pro 2.1 и ее микроархитектура

В качестве первого разрабатываемого программируемого устройства предлагается использовать архитектуру специального назначения `CYBERcobra 3000 Pro 2.1`, которая была разработана в **МИЭТ**. Главным достоинством данной архитектуры является простота ее понимания и реализации. Главным ее минусом является неоптимальность ввиду неэффективной реализации кодирования инструкций, что приводит к наличию неиспользуемых битов в программах. Но это неважно, так как основная цель разработки процессора с архитектурой `CYBERcobra 3000 Pro 2.1` — это более глубокое понимание принципов работы программируемых устройств, которое поможет при разработке более сложного процессора с архитектурой **RISC-V**.

![../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/logoCC3000.svg](../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/logoCC3000.svg)

Простота архитектуры `CYBERcobra 3000 Pro 2.1` проявляется, в том числе, за счет отсутствия памяти данных. Это значит, что данные c которыми работает программа могут храниться только в регистровом файле. Также в таком процессоре почти полностью отсутствует устройство управления (формально оно существует, но состоит только из проводов и пары логических вентилей).

Архитектурой предусмотрена поддержка 19 инструкций (5 типов команд):

Первые два типа содержат 16 инструкций, которые выполняются на АЛУ:

- 10 вычислительных
- 6 операций сравнения для условного перехода

Кроме того, есть инструкции:

- безусловного перехода
- загрузки константы
- загрузки данных с внешнего устройства.

К классу инструкций записи, то есть тех, которые меняют значение регистрового файла, можно отнести: 10 вычислительных, загрузки константы и загрузки данных с внешнего устройства. К классу инструкций перехода: 6 операций сравнения для условного перехода и безусловный переход.

### Последовательное считывание инструкций

Будем рассматривать архитектуру (функции процессора) и микроархитектуру (реализация процессора) одновременно, прослеживая рассуждения их разработчика.

Для начала реализуем базовый функционал, подключив счетчик команд `PC` к памяти инструкций `instr_mem` и сумматору, прибавляющему 4 к `PC`. Выход сумматора подключим ко входу `PC`.

Каждый раз, когда будет происходить тактовый импульс (переключение `clk_i` из 0 в 1), значение `PC` будет увеличиваться на `4`, тем самым указывая на следующую инструкцию. Последовательное считывание программы из памяти готово.

Так как операции будут выполняться только над данными в регистровом файле, то его можно сразу подключить к АЛУ, соединив порты чтения `read_data1_o` и `read_data2_o` со входами операндов АЛУ, а результат операции АЛУ подключив к порту на запись `write_data_i`. Полученный результат изображен на _рис. 0_.

![../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_0.drawio.svg](../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_0.drawio.svg)

_Рисунок 0. Размещение на схеме основных блоков._

Для компактности схемы, названия портов регистрового файла сокращены (`RA1` обозначает `read_addr1_i` и т.п.).

### Кодирование вычислительных инструкций

Чтобы добавить поддержку каких-либо инструкций, необходимо договориться **как** они будут кодироваться (эта часть относится к вопросам архитектуры). Вычислительные инструкции требуют следующую информацию:

1. по каким адресам регистрового файла лежат операнды?
2. по какому адресу будет сохранен результат?
3. какая операция должна быть выполнена?

Для этого в инструкции были выбраны следующие поля: 5 бит (`[27:23]`) для кодирования операции на АЛУ, два раза по 5 бит для кодирования адресов операндов в регистровом файле (`[22:18]` и `[17:13]`) и 5 бит для кодирования адреса результата (`[4:0]`). _Таблица 1_ демонстрирует деление 32-битной инструкции на поля `alu_op`, `RA1`, `RA2` и `WA`.

![../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_code_1.png](../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_code_1.png)

_Таблица 1. Кодирование вычислительных инструкций в архитектуре CYBERcobra 3000 Pro v2.1._

``` C
  reg_file[WA] ← reg_file[RA1] {alu_op} reg_file[RA2]
```

Запись выше является некоторой формализацией выполняемой функции, которая как бы отвечает на вопрос "а что, собственно, будет сделано?". В регистр по адресу WA (`reg_file[WA]`) будет записан (`←`) результат операции alu_op (`{alu_op}`) между регистрами по адресам RA1 (`reg_file[RA1]`) и RA2 (`reg_file[RA1]`).

### Реализация вычислительных инструкций

Чтобы процессор правильно реагировал на эти инструкции, требуется подключить ко входам адреса регистрового файла и управляющему входу АЛУ соответствующие биты выхода `read_data` памяти инструкции (**Instruction Memory**). В таком случае, когда `PC` будет указывать на ячейку памяти, в которой лежит, например, следующая 32-битная инструкция:

```text
0000 00111  00100 01000 00000000 11100
    |alu_op| RA1 | RA2 |        | WA
```

будет выполнена операция `reg_file[28] = reg_file[4] | reg_file[8]`, потому что `alu_op = 00111`, что соответствует операции **логического ИЛИ**, `WA = 11100`, то есть 28-ой регистр, `RA1 = 00100` (4-ый регистр) и `RA2 = 01000` (8-ой регистр). _Рис. 1_ иллюстрирует фрагмент микроархитектуры, поддерживающий вычислительные операции на АЛУ. Так как пока что другие инструкции не поддерживаются, то вход `WE` регистрового файла всегда равен `1` (это временно).

![../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_1.drawio.svg](../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_1.drawio.svg)

_Рисунок 1. Подключение АЛУ и регистрового файла для реализации вычислительных инструкций._

### Реализация загрузки константы в регистровый файл

Информация как-то должна попадать в регистровый файл, для этого добавим инструкцию загрузки константы по адресу `WA`. Чтобы аппаратура могла различать, когда ей нужно выполнять операцию на АЛУ, а когда загружать константу, назначим один бит инструкции определяющим "что именно будет записано в регистровый файл": результат с АЛУ или константа из инструкции. За это будет отвечать 28-ой бит инструкции `WS` (**Write Source**). Если `WS == 1`, значит выполняется вычислительная инструкция, а если `WS == 0`, значит нужно загрузить константу в регистровый файл.

Сама константа имеет разрядность **23 бита** ([27:5] биты инструкции) и должна быть **знакорасширена** до 32-х бит, то есть к 23-битной константе нужно приклеить слева 9 раз 23-ий знаковый бит константы (см. [оператор конкатенации](../../Basic%20Verilog%20structures/Concatenation.md)).

Пример: если [27:5] биты инструкции равны:

```text
10100000111100101110111
```

то после знакорасширения константа примет вид:

```text
11111111110100000111100101110111
```

(если бы старший бит был равен нулю, то константа заполнилась бы слева нулями, а не единицами).

Нет ничего страшного в том, что биты константы попадают на те же поля, что и `alu_op`, `RA1` и `RA2` — когда выполняется инструкция загрузки константы не важно что будет выдавать АЛУ в этот момент (ведь благодаря мультиплексору на вход регистрового файла приходит константа). А значит не важно и что приходит в этот момент на АЛУ в качестве операндов и кода операции. _Таблица 2_ демонстрирует деление 32-битной инструкции на поля `alu_op`, `RA1`, `RA2`, `WA`, `WS` и `const`, **с перекрытием полей**.

![../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_code_2.png](../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_code_2.png)

_Таблица 2. Добавление кодирования источника записи и 23-битной константы._

``` C
  reg_file[WA] ← const
```

Так как вход записи уже занят результатом операции АЛУ, его потребуется мультиплексировать со значением константы из инструкции, которая предварительно **знакорасширяется** в блоке `SE`. На входе `WD` регистрового файла появляется мультиплексор, управляемый 28-м битом инструкции, который и определяет, что будет записано: константа или результат вычисления на АЛУ.

Например, в такой реализации следующая 32-битная инструкция поместит константу `-1` в регистр по адресу `5`:

```text
000  0 11111111111111111111111 00101
   |WS|        RF_const       | WA  |
```

На _рис. 2_ приводится фрагмент микроархитектуры, поддерживающий вычислительные операции на АЛУ и загрузку констант из инструкции в регистровый файл.

![../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_2.drawio.svg](../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_2.drawio.svg)

_Рисунок 2. Добавление константы из инструкции в качестве источников записи в регистровый файл._

### Реализация загрузки в регистровый файл данных с внешних устройств

Чтобы процессор мог взаимодействовать с внешним миром добавим возможность загрузки данных с внешних устройств в регистр по адресу `WA`. Появляется третий тип инструкции, который определяет третий источник ввода для регистрового файла. Одного бита `WS` для выбора одного из трех источников будет недостаточно, поэтому расширим это поле до 2 бит. Теперь, когда `WS == 0` будет загружаться константа, когда `WS == 1` – будет загружаться результат вычисления АЛУ, а при `WS == 2` будут загружаться данные с внешних устройств. Остальные поля в данной инструкции не используются.

![../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_code_3.png](../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_code_3.png)

_Таблица 3. Кодирование в инструкции большего числа источников записи._

``` C
  reg_file[WA] ← sw_i
```

По аналогии с загрузкой констант увеличиваем входной мультиплексор до 4 входов и подключаем к нему управляющие сигналы – `[29:28]` биты инструкции. Последний вход используется, чтобы разрешить неопределенность на выходе при `WS == 3`(`default`-вход, см. [мультиплексор](../../Basic%20Verilog%20structures/Multiplexors.md)).

Выход OUT подключается к первому порту на чтение регистрового файла. Значение на выходе OUT будет определяться содержимым ячейки памяти по адресу `RA1`. На _рис. 3_ приводится фрагмент микроархитектуры, поддерживающий вычислительные операции на АЛУ, загрузку констант из инструкции в регистровый файл и загрузку данных с внешних устройств.

![../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_3.drawio.svg](../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_3.drawio.svg)

_Рисунок 3. Подключение к схеме источников ввода и вывода._

### Реализация условного перехода

С реализованным набором инструкций полученное устройство нельзя назвать процессором – пока что это продвинутый калькулятор. Добавим поддержку инструкции условного перехода, при выполнении которой программа будет перепрыгивать через заданное количество команд. Чтобы аппаратура отличала эту инструкцию от других будем использовать 30-ый бит `B` (`branch`). Если `B == 1`, значит это инструкция условного перехода и, если условие перехода выполняется, к `PC` надо прибавить константу. Если `B == 0`, значит это какая-то другая инструкция и к `PC` надо прибавить четыре.

![../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_code_4.png](../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_code_4.png)

_Таблица 4.Кодирование условного перехода._

Для вычисления результата условного перехода, нам необходимо выполнить операцию на АЛУ и посмотреть на сигнал `flag`. Если он равен 1, переход выполняется, в противном случае — не выполняется. А значит, нам нужны операнды `A`, `B`, и `alu_op`. Кроме того, нам необходимо указать насколько мы сместимся относительно текущего значения `PC` (константу смещения, `offset`). Для передачи этой константы лучше всего подойдут незадействованные биты инструкции `[12:5]`.

Обратим внимание на то, что `PC` 32-битный и должен быть всегда кратен четырем (`PC` не может указывать кроме как в начало инструкции, а каждая инструкция длиной в 32 бита). Чтобы константа смещения указывала на число инструкций, а не число байт, необходимо увеличить её в 4 раза. Это можно сделать, если приклеить к ней справа два нулевых бита (так же как в десятичной системе можно умножить число на 10<sup>2</sup>=100 если дописать справа от него два нуля). Кроме того, чтобы разрядность константы совпадала с разрядностью `PC`, необходимо знакорасширить её до 32 бит.

Приведенный ниже Си-подобный псевдокод (далее мы назовем его псевдоассемблером) демонстрирует кодирование инструкций с новым полем `B`:

``` C
  if (reg_file[RA1] {alu_op} reg_file[RA2])
    PC ← PC + const * 4
  else
    PC ← PC + 4
```

Так как второй вход сумматора счетчика команд занят числом 4, то для реализации условного перехода этот вход надо мультиплексировать с константой. Мультиплексор при этом управляется 30-ым битом `B`, который и определяет, что будет прибавляться к `PC`.

Сигнальные линии, которые управляют АЛУ и подают на его входы операнды уже существуют. Поэтому на схему необходимо добавить только логику управления мультиплексором на входе сумматора счетчика команд так. Эта логика работает следующим образом:

1. если сейчас инструкция условного перехода
2. и если условие перехода выполнилось,

то к `PC` прибавляется знакорасширенная константа, умноженная на 4. В противном случае, к `PC` прибавляется 4.

Так как теперь не любая инструкция приводит к записи в регистровый файл, появляется необходимость управлять входом `WE` так, чтобы при операциях условного перехода запись в регистровый файл не производилась. Это можно сделать, подав на WE значение `!B` (запись происходит, если сейчас **не операция условного перехода**).

![../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_4.drawio.svg](../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_4.drawio.svg)

_Рисунок 4. Реализация условного перехода._

### Реализация безусловного перехода

Осталось добавить поддержку инструкции безусловного перехода, для идентификации которой используется оставшийся 31-ый бит `J`(jump). Если бит `J == 1`, то это безусловный переход, и мы прибавляем к `PC` знакорасширенную константу смещения, умноженную на 4 (как это делали и в условном переходе).

![../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_code_5.png](../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_code_5.png)

_Таблица 5. Кодирование безусловного перехода._

``` C
  PC ← PC + const*4
```

Для реализации безусловного перехода, нам необходимо добавить дополнительную логику управления мультиплексором перед сумматором. Итоговая логика его работы звучит так:

1. Если сейчас инструкция безусловного перехода
2. ИЛИ если сейчас инструкция условного перехода
3. И если условие перехода выполнилось

Кроме того, при безусловном переходе в регистровый файл так же ничего не пишется. А значит, необходимо обновить логику работы сигнала разрешения записи `WE`, который будет равен 0 если сейчас инструкция условного или безусловного перехода.

На _рис. 5_ приводится итоговый вариант микроархитектуры процессора `CYBERcobra 3000 Pro 2.1`.

![../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_5.drawio.svg](../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_5.drawio.svg)

_Рисунок 5. Реализация безусловного перехода._

### Финальный обзор

Итого, архитектура `CYBERcobra 3000 Pro 2.1` поддерживает 5 типов инструкций, которые кодируются следующим образом (иксами помечены биты, которые не задействованы в данной инструкции):

1. 10 вычислительных инструкций `0 0 01 alu_op RA1 RA2 xxxx xxxx WA`
2. Инструкция загрузки константы `0 0 00 const WA`
3. Инструкция загрузки из внешних устройств `0 0 10 xxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx WA`
4. Безусловный переход `1 x xx xxx xxxx xxxx xxxx const xxxxx`
5. 6 инструкций условного перехода `0 1 xx alu_op RA1 RA2 const x xxxx`

При кодировании инструкций используются следующие поля:

- J – однобитный сигнал, указывающий на выполнение безусловного перехода;
- B – однобитный сигнал, указывающий на выполнение условного перехода;
- WS – двухбитный сигнал, указывающий источник данных для записи в регистровый файл:
  - 0 – константа из инструкции;
  - 1 – результат с АЛУ;
  - 2 – внешние данные;
  - 3 – не используется;
- alu_op – 5-битный сигнал кода операции АЛУ (в соответствии с таблицей из лабораторной по АЛУ);
- RA1 и RA2 – 5-битные адреса операндов из регистрового файла;
- offset – 8-битная константа для условного / безусловного перехода;
- const  — 23-битная константа для загрузки в регистровый файл;
- WA – 5-битный адрес регистра, в который будет записан результат.

Напишем простую программу для этого процессора, которая в бесконечном цикле увеличивает значение первого регистра на 1. Сначала напишем программу на псевдоассемблере (используя предложенную мнемонику):

``` C
  reg_file[1] ← -1                        // загрузить константу `-1` регистр 1
  reg_file[2] ← sw_i                      // загрузить значение с входа sw_i в регистр 2
  reg_file[3] ←  1                        // загрузить константу `1` регистр 3

  reg_file[1] ← reg_file[1] + reg_file[3] // сложить регистр 1 с регистром 3 и
                                          // поместить результат в регистр 1

  if (reg_file[1] < reg_file[2])          // если значение в регистре 1 меньше
                                          // значения в регистре 2,
    PC ← PC – 1                           // возврат на 1 инструкцию назад

  out_o = reg_file[1], PC ← PC + 0        // бесконечное повторение этой инструкции
                                          // с выводом на out_o значения в регистре 1
```

Теперь в соответствии с кодировкой инструкций переведем программу в машинные коды:

```text
  0 0 00   11111111111111111111111  00001
  0 0 10   00000000000000000000000  00010
  0 0 00   00000000000000000000001  00011
  0 0 01 00000 00001 00011 00000000 00001
  0 1 00 11110 00001 00010 11111111 00000
  1 0 00 00000 00001 00000 00000000 00000
```

Полученную программу можно помещать в память программ и выполнять на процессоре.

## Инструменты для реализации процессора

Так как все модули процессора написаны, основная часть кода описания процессора будет связана с подключением этих модулей друг к другу. Подробнее о подключении модулей сказано в [Modules.md](../../Basic%20Verilog%20structures/Modules.md).

Для реализации блоков знакорасширения с умножением на 4 подходит использование оператора конкатенации ([Concatenation.md](../../Basic%20Verilog%20structures/Concatenation.md)).

## Задание по реализации процессора

Разработать процессор `CYBERcobra` (см. [_рис. 5_](../../.pic/Labs/lab_04_cybercobra/ppd_5.drawio.svg)), объединив ранее разработанные модули:

- Память инструкций (проинициализированную в двоичном формате файлом [`example.mem`](example.mem))
- Регистровый файл
- Арифметико-логическое устройство
- 32-битный сумматор

Кроме того, необходимо описать регистр счетчика команд и логику его работы, в соответствии с ранее представленной микроархитектурой.

```SystemVerilog
module CYВЕRcоbrа (
  inрut  logic         clk_i,
  inрut  logic         rst_i,
  inрut  logic [15:0]  sw_i,
  оutрut logic [31:0]  out_o
);

 // тут твой код, о котором говорится чуть выше

endmodule
```

## Порядок выполнения задания

1. Внимательно ознакомьтесь с [заданием](#задание-по-реализации-процессора). В случае возникновения вопросов, проконсультируйтесь с преподавателем.
2. Реализуйте модуль `CYBERcobra`. Для этого:
   1. В `Design Sources` проекта с предыдущих лаб, создайте `SystemVerilog`-файл `cybercobra.sv`.
   2. Опишите в нем модуль процессора с таким же именем и портами, как указано в [задании](#задание-по-реализации-процессора) (обратите внимание на регистр имени модуля).
      1. В первую очередь, необходимо создать счетчик команд и все вспомогательные провода. При создании, **следите за разрядностью**.
      2. Затем, необходимо создать экземпляры модулей: памяти инструкции, АЛУ, регистрового файла и сумматора. При подключении сигналов сумматора, надо **обязательно** надо подать нулевое значение на входной бит переноса. Выходной бит переноса подключать не обязательно. Объекту памяти инструкций нужно дать имя `imem`.
      3. После этого, необходимо описать оставшуюся логику:
         1. Программного счетчика
         2. Сигнала управления мультиплексором, выбирающим слагаемое для программного счетчика
         3. Сигнала разрешения записи в регистровый файл
         4. Мультиплексор, выбирающий слагаемое для программного счетчика
         5. Мультиплексор, выбирающий источник записи в регистровый файл.
3. После описания модуля, его необходимо проверить с помощью [`тестового окружения`](../../Basic%20Verilog%20structures/Testbench.md).
   1. Тестовое окружение находится [`здесь`](tb_cybercobra.sv).
   2. Программа, которой необходимо проинициализировать память инструкций находится в файле [example.mem](example.mem). Алгоритм работы программы приведен в разделе [`Финальный обзор`](#финальный-обзор).
   3. Для запуска симуляции воспользуйтесь [`этой инструкцией`](../../Vivado%20Basics/Run%20Simulation.md).
   4. Перед запуском симуляции убедитесь, что выбран правильный модуль верхнего уровня.
   5. **Во время симуляции, вы должны прожать "Run All" и убедиться, что в логе есть сообщение о завершении теста!**
   6. В этот раз, в конце не будет сообщения о том, работает ли ваше устройство или в нем есть ошибки. Вы должны самостоятельно проверить работу модуля, перенеся его внутренние сигналы на временную диаграмму, и [проверив](../../Vivado%20Basics/Debug%20manual.md) логику их работы.
4. Проверьте работоспособность вашей цифровой схемы в ПЛИС. Для этого:
   1. Добавьте файлы из папки [`board files`](https://github.com/MPSU/APS/tree/master/Labs/04.%20Primitive%20programmable%20device/board%20files) в проект.
      1. Файл [nexys_cybercobra.sv](https://github.com/MPSU/APS/tree/master/Labs/04.%20Primitive%20programmable%20device/board%20files/nexys_cybercobra.sv) необходимо добавить в `Design Sources` проекта.
      2. Файл [nexys_a7_100t.xdc](https://github.com/MPSU/APS/tree/master/Labs/04.%20Primitive%20programmable%20device/board%20files/nexys_a7_100t.xdc) необходимо добавить в `Constraints` проекта. В случае, если вы уже добавляли одноименный файл в рамках предыдущих лабораторных работ, его содержимое необходимо заменить содержимым нового файла.
   2. Выберите `nexys_cybercobra` в качестве модуля верхнего уровня (`top-level`).
   3. Выполните генерацию битстрима и сконфигурируйте ПЛИС. Для этого воспользуйтесь [следующей инструкцией](../../Vivado%20Basics/How%20to%20program%20an%20fpga%20board.md).
   4. Описание логики работы модуля верхнего уровня и связи периферии ПЛИС с реализованным модулем находится в папке [`board files`](https://github.com/MPSU/APS/tree/master/Labs/04.%20Primitive%20programmable%20device/board%20files).

---

После выполнения задания по реализации процессора, необходимо также выполнить [индивидуальное задание](Индивидуальное%20задание) по написанию двоичной программы под созданный вами процессор.

---

Дерзайте!
