【RISC-V设计-10】- RISC-V处理器设计K0A之IDU

news2024/11/23 0:48:01

【RISC-V设计-10】- RISC-V处理器设计K0A之IDU

文章目录

  • 【RISC-V设计-10】- RISC-V处理器设计K0A之IDU
    • 1.简介
    • 2.顶层设计
    • 3.端口说明
    • 4.代码设计
    • 5.总结

1.简介

指令译码单元（Instruction Decoder Unit，简称IDU）是CPU中的一个关键组件，其主要作用是将从内存中获取的指令进行解读和翻译，使其能够被CPU的其它组件理解和执行。指令译码单元承接总线管理单元（BMU）发送过来的指令和数据以及核内中断控制器（CIC）发过来的中断请求，然后经过转换后发送给算术运算单元（ALU）、通用寄存器组（GPR）、控制与状态寄存器（CSR）以及和BMU、CIC的交互。，指令译码单元在 CPU 的整体运行中起着承上启下、转换协调的重要作用，确保了 CPU 各组件之间的高效协同工作。

2.顶层设计

指令译码单元与其他所有模块相互交流协作，不同模块之间直接或间接地通过指令译码单元实现耦合。

3.端口说明

序号端口位宽方向说明
1bmu2idu_valid1input指令有效指示
2bmu2idu_instr32input需要执行的指令
3bmu2idu_pc_cur18input当前指令的PC
4bmu2idu_pc_nxt18input下一条指令的PC
5idu2bmu_pc_set1output程序计数器设置
6idu2bmu_pc_new18output新的程序计数器
7bmu2idu_pc_ack1input程序计数器应答
8idu2bmu_ls_req1output加载与存储请求
9idu2bmu_ls_cmd1output加载与存储命令，1写0读
10idu2bmu_ls_size2output加载与存储写数据字节数
11idu2bmu_ls_addr20output加载与存储的地址
12idu2bmu_ls_wdata32output加载与存储的写数据
13bmu2idu_ls_rdata32input加载与存储的读数据
14idu2gpr_we1output通用寄存器组写使能，高有效
15idu2gpr_waddr4output通用寄存器组写地址
16idu2gpr_wdata32output通用寄存器组写数据
17idu2gpr_raddr14output通用寄存器组读地址1
18idu2gpr_raddr24output通用寄存器组读地址2
19gpr2idu_rdata132input通用寄存器组读数据1
20gpr2idu_rdata232input通用寄存器组读数据2
21idu2csr_we1outputCSR读写总线，写使能
22idu2csr_addr12outputCSR读写总线，地址
23idu2csr_wdata32outputCSR读写总线，写数据
24csr2idu_rdata32inputCSR读写总线，读数据
25idu2alu_op4outputALU的操作码
26idu2alu_rs132output运算的第一操作数
27idu2alu_rs232output运算的第二操作数
28alu2idu_res32input数值运算的结果
29alu2idu_cmp1input比较运算的结果
30idu2alu_addr120output地址运算的第一操作数
31idu2alu_addr220output地址运算的第二操作数
32alu2idu_addro20input地址运算的输出结果
33cic2idu_int_req1input中断请求
34idu2cic_int_ack1output中断应答
35idu2cic_int_mret1output中断返回

4.代码设计

// -------------------------------------------------------------------------------------------------
// Copyright 2024 Kearn Chen, kearn.chen@aliyun.com
//
// Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
// you may not use this file except in compliance with the License.
// You may obtain a copy of the License at
// 
//     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
// 
// Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
// distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
// WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
// See the License for the specific language governing permissions and
// limitations under the License.
// -------------------------------------------------------------------------------------------------
// Description :
//             1. Instruction Decoder Unit
// -------------------------------------------------------------------------------------------------

module k0a_core_idu (
    input  wire         bmu2idu_valid     ,
    input  wire [31:0]  bmu2idu_instr     ,
    input  wire [17:0]  bmu2idu_pc_cur    ,
    input  wire [17:0]  bmu2idu_pc_nxt    ,

    output wire         idu2bmu_pc_set    ,
    output wire [17:0]  idu2bmu_pc_new    ,
    input  wire         bmu2idu_pc_ack    ,

    output wire         idu2bmu_ls_req    ,
    output wire         idu2bmu_ls_cmd    ,
    output wire [1:0]   idu2bmu_ls_size   ,
    output wire [19:0]  idu2bmu_ls_addr   ,
    output wire [31:0]  idu2bmu_ls_wdata  ,
    input  wire [31:0]  bmu2idu_ls_rdata  ,

    output wire         idu2gpr_we        ,
    output wire [3:0]   idu2gpr_waddr     ,
    output wire [31:0]  idu2gpr_wdata     ,
    output wire [3:0]   idu2gpr_raddr1    ,
    output wire [3:0]   idu2gpr_raddr2    ,
    input  wire [31:0]  gpr2idu_rdata1    ,
    input  wire [31:0]  gpr2idu_rdata2    ,

    output wire         idu2csr_we        ,
    output wire [11:0]  idu2csr_addr      ,
    output wire [31:0]  idu2csr_wdata     ,
    input  wire [31:0]  csr2idu_rdata     ,

    input  wire [17:0]  csr2idu_mepc      ,
    input  wire [17:0]  csr2idu_mtvec     ,
    output wire         idu2csr_mepc_set  ,
    output wire [17:0]  idu2csr_mepc_nxt  ,

    output wire [3:0]   idu2alu_op        ,
    output wire [31:0]  idu2alu_rs1       ,
    output wire [31:0]  idu2alu_rs2       ,
    input  wire [31:0]  alu2idu_res       ,
    input  wire         alu2idu_cmp       ,
    output wire [19:0]  idu2alu_addr1     ,
    output wire [19:0]  idu2alu_addr2     ,
    input  wire [19:0]  alu2idu_addro     ,

    input  wire         cic2idu_int_req   ,
    output wire         idu2cic_int_ack   ,
    output wire         idu2cic_int_mret
);

wire rvi_imm = bmu2idu_valid & bmu2idu_instr[6:0] == 7'b0010011;
wire rvi_reg = bmu2idu_valid & bmu2idu_instr[6:0] == 7'b0110011;
wire rvi_ldr = bmu2idu_valid & bmu2idu_instr[6:0] == 7'b0000011;
wire rvi_str = bmu2idu_valid & bmu2idu_instr[6:0] == 7'b0100011;
wire rvi_bra = bmu2idu_valid & bmu2idu_instr[6:0] == 7'b1100011;
wire rvi_jal = bmu2idu_valid & bmu2idu_instr[6:0] == 7'b1101111;
wire rvi_jar = bmu2idu_valid & bmu2idu_instr[6:0] == 7'b1100111;
wire rvi_sys = bmu2idu_valid & bmu2idu_instr[6:0] == 7'b1110011;
wire rvi_lui = bmu2idu_valid & bmu2idu_instr[6:0] == 7'b0110111;
wire rvi_aui = bmu2idu_valid & bmu2idu_instr[6:0] == 7'b0010111;

wire rvi_func3_000 = bmu2idu_instr[14:12] == 3'b000;
wire rvi_func3_001 = bmu2idu_instr[14:12] == 3'b001;
wire rvi_func3_010 = bmu2idu_instr[14:12] == 3'b010;
wire rvi_func3_011 = bmu2idu_instr[14:12] == 3'b011;
wire rvi_func3_100 = bmu2idu_instr[14:12] == 3'b100;
wire rvi_func3_101 = bmu2idu_instr[14:12] == 3'b101;
wire rvi_func3_110 = bmu2idu_instr[14:12] == 3'b110;
wire rvi_func3_111 = bmu2idu_instr[14:12] == 3'b111;

wire rvi_func7_zero = bmu2idu_instr[31:25] == 7'h00;

wire instr_lui    = rvi_lui;
wire instr_auipc  = rvi_aui;
wire instr_jal    = rvi_jal;
wire instr_jalr   = rvi_jar & rvi_func3_000;
wire instr_beq    = rvi_bra & rvi_func3_000;
wire instr_bne    = rvi_bra & rvi_func3_001;
wire instr_blt    = rvi_bra & rvi_func3_100;
wire instr_bge    = rvi_bra & rvi_func3_101;
wire instr_bltu   = rvi_bra & rvi_func3_110;
wire instr_bgeu   = rvi_bra & rvi_func3_111;
wire instr_lb     = rvi_ldr & bmu2idu_instr[13:12] == 2'b00;
wire instr_lh     = rvi_ldr & bmu2idu_instr[13:12] == 2'b01;
wire instr_lw     = rvi_ldr & rvi_func3_010;
wire instr_lbu    = rvi_ldr & bmu2idu_instr[14];
wire instr_lhu    = rvi_ldr & bmu2idu_instr[14];
wire instr_sb     = rvi_str & rvi_func3_000;
wire instr_sh     = rvi_str & rvi_func3_001;
wire instr_sw     = rvi_str & rvi_func3_010;
wire instr_addi   = rvi_imm & rvi_func3_000;
wire instr_slti   = rvi_imm & rvi_func3_010;
wire instr_sltiu  = rvi_imm & rvi_func3_011;
wire instr_slt    = rvi_reg & rvi_func3_010 & rvi_func7_zero;
wire instr_sltu   = rvi_reg & rvi_func3_011 & rvi_func7_zero;
wire instr_csrrw  = rvi_sys & rvi_func3_001;
wire instr_csrrs  = rvi_sys & rvi_func3_010;
wire instr_csrrc  = rvi_sys & rvi_func3_011;
wire instr_csrrwi = rvi_sys & rvi_func3_101;
wire instr_csrrsi = rvi_sys & rvi_func3_110;
wire instr_csrrci = rvi_sys & rvi_func3_111;
wire instr_mret   = rvi_sys & bmu2idu_instr[31:7] == 25'h0604000;

wire branch_pc_set = instr_jal | instr_jalr | instr_mret | (instr_beq | instr_blt | instr_bltu) & alu2idu_cmp | (instr_bne | instr_bge | instr_bgeu) & ~alu2idu_cmp;

wire [17:0] branch_pc_new = instr_mret ? csr2idu_mepc : alu2idu_addro[19:2];

wire [31:0] gpr_wdata_lui = {32{instr_lui}} & {bmu2idu_instr[31:12], 12'd0};

wire [31:0] gpr_wdata_jal = {32{instr_jal | instr_jalr}} & {12'd0, bmu2idu_pc_nxt, 2'd0};

wire [31:0] gpr_wdata_alu = {32{rvi_aui | rvi_imm | rvi_reg}} & alu2idu_res;

wire [31:0] gpr_wdata_csr = {32{rvi_sys}} & csr2idu_rdata;

wire [31:0] gpr_wdata_lb0 = {32{instr_lb & ~idu2bmu_ls_addr[1] & ~idu2bmu_ls_addr[0]}} & {{24{bmu2idu_ls_rdata[7] & ~instr_lbu}}, bmu2idu_ls_rdata[7:0]};

wire [31:0] gpr_wdata_lb1 = {32{instr_lb & ~idu2bmu_ls_addr[1] &  idu2bmu_ls_addr[0]}} & {{24{bmu2idu_ls_rdata[15] & ~instr_lbu}}, bmu2idu_ls_rdata[15:8]};

wire [31:0] gpr_wdata_lb2 = {32{instr_lb &  idu2bmu_ls_addr[1] & ~idu2bmu_ls_addr[0]}} & {{24{bmu2idu_ls_rdata[23] & ~instr_lbu}}, bmu2idu_ls_rdata[23:16]};

wire [31:0] gpr_wdata_lb3 = {32{instr_lb &  idu2bmu_ls_addr[1] &  idu2bmu_ls_addr[0]}} & {{24{bmu2idu_ls_rdata[31] & ~instr_lbu}}, bmu2idu_ls_rdata[31:24]};

wire [31:0] gpr_wdata_lh0 = {32{instr_lh & ~idu2bmu_ls_addr[1]}} & {{16{bmu2idu_ls_rdata[15] & ~instr_lhu}}, bmu2idu_ls_rdata[15:0]};

wire [31:0] gpr_wdata_lh1 = {32{instr_lh &  idu2bmu_ls_addr[1]}} & {{16{bmu2idu_ls_rdata[31] & ~instr_lhu}}, bmu2idu_ls_rdata[31:16]};

wire [31:0] gpr_wdata_lw  = {32{instr_lw}} & bmu2idu_ls_rdata;

wire [31:0] csr_wdata_rw  = {32{instr_csrrw}} & gpr2idu_rdata1;

wire [31:0] csr_wdata_rs  = {32{instr_csrrs}} & (csr2idu_rdata | gpr2idu_rdata1);

wire [31:0] csr_wdata_rc  = {32{instr_csrrc}} & (csr2idu_rdata & ~gpr2idu_rdata1);

wire [31:0] csr_wdata_rwi = {32{instr_csrrwi}} & {27'd0, bmu2idu_instr[19:15]};

wire [31:0] csr_wdata_rsi = {32{instr_csrrsi}} & (csr2idu_rdata | {27'd0, bmu2idu_instr[19:15]});

wire [31:0] csr_wdata_rci = {32{instr_csrrci}} & (csr2idu_rdata & ~{27'd0, bmu2idu_instr[19:15]});

wire [3:0]  alu_op_beq  = {4{instr_beq  | instr_bne }} & 4'b1000;

wire [3:0]  alu_op_blt  = {4{instr_blt  | instr_bge }} & 4'b1010;

wire [3:0]  alu_op_bltu = {4{instr_bltu | instr_bgeu}} & 4'b1011;

wire [3:0]  alu_op_calc = {4{rvi_imm | rvi_reg}} & {bmu2idu_instr[30] & ~instr_addi | instr_slti | instr_sltiu | instr_slt | instr_sltu, bmu2idu_instr[14:12]};

wire [31:0] alu_rs2_aui = {32{instr_auipc}} & {12'd0, bmu2idu_pc_cur, 2'd0};

wire [31:0] alu_rs2_imm = {32{rvi_imm}} & {{20{bmu2idu_instr[31]}}, bmu2idu_instr[31:20]};

wire [31:0] alu_rs2_reg = {32{rvi_reg | rvi_bra}} & gpr2idu_rdata2;

wire [19:0] alu_addr1_jal = {20{instr_jal}} & {bmu2idu_instr[19:12], bmu2idu_instr[20], bmu2idu_instr[30:21], 1'b0};

wire [19:0] alu_addr1_bra = {20{rvi_bra}} & {{8{bmu2idu_instr[31]}}, bmu2idu_instr[7], bmu2idu_instr[30:25], bmu2idu_instr[11:8], 1'b0};

wire [19:0] alu_addr1_reg = {20{rvi_ldr | rvi_str | instr_jalr}} & gpr2idu_rdata1[19:0];

wire [19:0] alu_addr2_ldr = {20{instr_jalr | rvi_ldr}} & {{8{bmu2idu_instr[31]}}, bmu2idu_instr[31:20]};

wire [19:0] alu_addr2_str = {20{rvi_str}} & {{8{bmu2idu_instr[31]}}, bmu2idu_instr[31:25], bmu2idu_instr[11:7]};

wire [19:0] alu_addr2_bra = {20{instr_jal | rvi_bra}} & {bmu2idu_pc_cur, 2'd0};

assign idu2gpr_we = rvi_imm | rvi_reg | rvi_ldr & bmu2idu_pc_ack |  rvi_jal | rvi_jar | rvi_sys | rvi_lui | rvi_aui;

assign idu2gpr_waddr = bmu2idu_instr[10:7];

assign idu2gpr_raddr1 = bmu2idu_instr[18:15];

assign idu2gpr_raddr2 = bmu2idu_instr[23:20];

assign idu2gpr_wdata = gpr_wdata_lui | gpr_wdata_jal | gpr_wdata_alu | gpr_wdata_csr | gpr_wdata_lw  |
                       gpr_wdata_lb0 | gpr_wdata_lb1 | gpr_wdata_lb2 | gpr_wdata_lb3 | gpr_wdata_lh0 | gpr_wdata_lh1;

assign idu2csr_we = rvi_sys;

assign idu2csr_addr = bmu2idu_instr[31:20];

assign idu2csr_wdata = csr_wdata_rw | csr_wdata_rs | csr_wdata_rc | csr_wdata_rwi | csr_wdata_rsi | csr_wdata_rci;

assign idu2cic_int_ack = bmu2idu_pc_ack;

assign idu2csr_mepc_set = cic2idu_int_req & idu2cic_int_ack;

assign idu2bmu_pc_set = branch_pc_set | idu2csr_mepc_set;

assign idu2bmu_pc_new = idu2csr_mepc_set ? csr2idu_mtvec : branch_pc_new;

assign idu2csr_mepc_nxt = branch_pc_set ? branch_pc_new : bmu2idu_pc_nxt;

assign idu2cic_int_mret = instr_mret;

assign idu2alu_op = alu_op_beq | alu_op_blt | alu_op_bltu | alu_op_calc;

assign idu2alu_rs1 = {32{~instr_auipc}} & gpr2idu_rdata1 | {32{instr_auipc}} & {bmu2idu_instr[31:12], 12'd0};

assign idu2alu_rs2 = alu_rs2_aui | alu_rs2_imm | alu_rs2_reg;

assign idu2bmu_ls_req = rvi_ldr | rvi_str;

assign idu2bmu_ls_cmd = rvi_str;

assign idu2bmu_ls_size = bmu2idu_instr[13:12];

assign idu2bmu_ls_addr = alu2idu_addro;

assign idu2bmu_ls_wdata = {32{instr_sb}} & {4{gpr2idu_rdata2[7:0]}} | {32{instr_sh}} & {2{gpr2idu_rdata2[15:0]}} | {32{instr_sw}} & gpr2idu_rdata2;

assign idu2alu_addr1 = alu_addr1_jal | alu_addr1_bra | alu_addr1_reg;

assign idu2alu_addr2 = alu_addr2_ldr | alu_addr2_str | alu_addr2_bra;

endmodule

5.总结

本篇文章详细介绍了指令译码单元的具体实现方式。其中，通过对相同类型指令集进行归并这一巧妙的操作，极大地优化了译码单元的电路结构。这种归并处理使得电路变得更加精简，减少了不必要的逻辑，同时也让整个电路更加整洁有序。在处理中断应答方面，存在着特定的规则。只有当当前正在执行指令的情况下，才能够产生中断应答。这是因为只有在执行指令的过程中，才能够准确地确定下一条指令的程序计数器（PC）的值。假设当前正在执行一条加法指令，只有在这条指令执行期间，系统才能判断是否满足产生中断应答的条件，并依据此来确定下一条指令的 PC 值，以保障指令执行的连贯性和准确性。对于指令译码单元的实现，相同类型指令集的归并以及在特定条件下处理中断应答的方式，都是为了确保指令译码单元能够高效、准确地工作。

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链栈 1、理解 实际上是一个仅在表头进行操作的单链表,头指针指向栈顶结点或头结点,以下恋栈均指带头结点的链栈. 2、 基本操作 1、定义结构&#xff1a;节点含有数据域和指针域 2、初始化操作&#xff1a;建立一个带头结点的空栈 3、取栈顶元素操作&#xff1a;取出栈的栈顶元…
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【最新】推荐6款论文ai写论文软件推荐网站平台

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在当前的学术研究和写作环境中&#xff0c;AI写作工具已经成为许多学者和学生的重要助手。这些工具不仅能够提高写作效率&#xff0c;还能帮助优化文章结构、润色语言以及进行查重等任务。以下将推荐六款优秀的AI写论文软件&#xff0c;并详细介绍它们的功能和特点。 1. 千笔-…
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Spring及相关框架的重要的问题

Spring及相关框架的重要的问题

Java框架 问题一&#xff1a;Spring框架中的单例bean是线程安全的吗&#xff1f; 看下图&#xff0c;不能被修改的成员变量就是无状态的类&#xff0c;无状态的类没有线程安全问题&#xff0c;所以在开发中尽量避免可修改的成员变量。 回答&#xff1a;不是线程安全的&#xf…
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Drizzle ORM使用Azure PostgreSQL数据库迁移失败

Drizzle ORM使用Azure PostgreSQL数据库迁移失败

执行 npx drizzle-kit migrate 命令报错&#xff1a; No config path provided, using default drizzle.config.ts Reading config file E:\nextjs-cloudflare-drizzle\drizzle.config.ts Using postgres driver for database querying [⡿] applying migrations...PostgresEr…
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Intersection Observer API 帮你搞定前端滚动问题

Intersection Observer API 帮你搞定前端滚动问题

前言 当我们在做需求时&#xff0c;可能经常会遇到很多跟页面的滚动有关的需求。例如 图片的懒加载&#xff1a;我们希望只加载用户当前视图窗口的图片&#xff0c;而未进入到视图窗口的图片&#xff0c;只有在进入到视图窗口时才进行加载&#xff0c;以提高页面响应速度&…
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简单报表示例

简单报表示例

简单报表 概述 简单表格报表&#xff1a;简单的表格报表。 应用场景 如下图所示&#xff0c;简单展示数据 示例说明 数据准备 在数据面板中添加数据集&#xff0c;可选择Json数据集和API服务数据集。Json数据集输入如下图所示&#xff1a; [{"到货日期":&qu…
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工业智能网关在制造业数字化转型中的应用分享-天拓四方

工业智能网关在制造业数字化转型中的应用分享-天拓四方

随着工业4.0和物联网技术的飞速发展&#xff0c;工业智能网关已成为连接现场设备、实现数据采集与远程监控的关键节点。本文将以一个实际使用案例为蓝本&#xff0c;深入探讨工业智能网关的应用价值、技术特点以及实施效果&#xff0c;旨在为读者呈现一个清晰、专业且实操性强的…
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vue项目打包问题

vue项目打包问题

缓存导致打包后js文件404 修改vue.config.js打包输出文件名为动态&#xff0c;例如取当前时间戳。 在index.html文件添加meta标签设置不缓存。 更新完包&#xff0c;假如用户此刻正访问某一个页面时&#xff0c;访问的包还是原来的情况导致出现bug 解决VUE项目更新后需要客户手…
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渲染引擎实践 - UnrealEngine引擎的 GLContext 创建过程

渲染引擎实践 - UnrealEngine引擎的 GLContext 创建过程

一：概述： 本文分析下 UnrealEngine 启动过程中创建多少个 OpenGL Context，以及每个 Context 的作用。 基于 UnrealEngine 4.25 环境。 二：临时Context 1. PreInit -> PreInitPreStartupScreen -> PreloadResolutionSettings, 用于检查图形窗口分辨率 2. PreInit -&…
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