目录

一、RISC-V模型机的目标指令集

二、RISC-V模型机的部件设计

三、运算及传送指令的数据通路设计

四、访存指令的数据通路设计

五、转移类指令的数据通路设计

六、RISC-V模型机控制单元CU的有限状态机设计

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一、RISC-V模型机的目标指令集

取指令并译码：根据PC从内存取出指令，PC+4 -> PC，译码

执行指令：首先根据指令字的字段，取出1~2个寄存器（rs1，rs2）内容，再根据指令具体功能，做不同操作

• 算术逻辑运算：ALU运算，写寄存器
• 传送类指令：生成立即数，写寄存器
• 访存指令：计算存储器地址（ALU运算），读/写存储器
• 转移类指令：比较数据（ALU运算），PC+偏移量 -> PC

二、RISC-V模型机的部件设计

CPU性能的重要指标：CPU速度（执行时间）

CPU执行指标 = 程序指令数 × 每条指令的时钟周期数（CPI）× 时钟周期长度

• 单周期CPU：CPI = 1，但是时钟周期很长
• 多周期CPU：CPI > 1，但是时钟周期很短，且某些硬件部件可共享

从CPU效率指标考虑，我们设计的RV32I的25条核心指令集，采用：

• 直接连接（无总线）
• 多周期CPU（性能和硬件成本优于单周期CPU）
• 哈佛结构（指令和数据分开存储）

1. 指令存储器及取指令部件——取指令IF

• 程序计数器 PC：存放指令地址，32位，取指令后自增4个字节（独立加法器）
• 指令寄存器 IR：存放指令代码，32位
• Mem[PC] -> IR, PC+4 -> PC
• clk上跳沿：取指令（读存储器）
• clk下跳沿：指令置入IR，更新PC

2. 指令译码器与立即数生成器——指令译码ID

（1）指令译码器

• 初级译码器 ID1：①指令字段与格式解析器；②立即数生成器
• 二级译码器 ID2：产生指令信号、ALU_OP

（2）立即数生成器

• 立即数拼接与生成器：按照各格式，对立即数进行拼接与拓展，产生6个32位立即数
• 6选1多路选择器：按照当前指令的格式，在6个立即数中选择一个输出，记为imm32

（3）指令二级译码器

• 输入：ID1产生的opcode、func3、func7
• 输出：指令信息8个，运算码ALU_OP

3. 运算器部件——执行EX

（1）通用寄存器堆 Regs

• 32×32位寄存器，寄存器地址5位
• 三端口：两个读端口，一个写端口（同时读出2个寄存器，写入1个寄存器）
• 读出无需时钟，写入需要时钟
• 读出的数据写入暂存器A和B，时钟clk_RR控制打入

（2）多功能运算部件 ALU

• 32位，进行算术、逻辑、比较置数、移位运算
• 选择信号：运算功能码ALU_OP
• 组合逻辑电路：无需时钟信号
• clk_F：将运算结果打入暂存器F

（3）标志位寄存器 FR 及标志位产生部件 FlagU

• 组合逻辑电路
• 输入：运算结果ALU_F
• 输出：ZF、SF、CF、OF
• 标志位寄存器 FR：保存ZF、SF、CF、OF信号
• clk_F：将ZF、SF、CF、OF打入FR

（4）暂存器A、B、F

• 32位寄存器，在多周期CPU中，一个机器周期操作的结果要存到暂存器中，供下个机器周期操作使用

4. 数据存储器 DM

• 地址32位，数据32位，按字节编址，小端存储
• clk_dm上跳沿：Mem_Write=0（读）；Mem_Write=1（写）
• DM_Addr：字地址（30位）
• M_R_Data：读出数据
• M_W_Data：写入数据

三、运算及传送指令的数据通路设计

如何连接部件？建立数据通路

1. 运算型指令——R型指令

• 指令存储器 IM：取指令，由PC提供地址，在clk的上跳沿完成读操作，在clk下跳沿将机器指令写入IR
• PC的控制：自增通过专有加法器完成，不受时钟控制，更新在clk下跳沿完成（PC_Write=1）
• IR的控制：更新在clk的下跳沿完成（IR_Write=1）
• 指令初级译码器：读出32位指令，各字段分别送数据通路部件（rs1、rs2、rd送寄存器堆地址，opcode、func3、func7送二级译码器ID2译码）
• 寄存器堆：2个读端地址（rs1、rs2），一个写端地址（rd），2个读数据输出端口（直接打入暂存器A、B保存），一个写数据输出端口（从暂存器F的输出端引入），写控制信号在clk下跳沿有效（Reg_Write）
• ALU：10种运算功能，由4位ALU_OP指定，输入A、B由暂存器A、B的输出端提供，运算结果输出暂存器F

2. 运算型指令——I型指令

3. 传送类指令——U型指令

 

 

四、访存指令的数据通路设计

①访问DM时，地址DM_Addr从哪里来？

• EA = Reg[rs1] + imm32，如何实现地址加法？
• Reg[rs1] -> A，rs2_imm_s = 1，则 A + imm32 -> F
• 故访问DM时，地址DM_Addr可以直接由暂存器提供

 ②执行DM读操作时，读出的数据M_R_Data到哪里去？

• lw指令执行DM读操作，读出的数据写入rd寄存器
• 存储器读出数据端设置一个暂存器MDR，保存存储器读出的数据
• 在下一个周期再将MDR的内容写回到rd寄存器
• 故执行DM读操作时，读出的数据M_R_Data保存到MDR寄存器
• 写回周期写入rd的写数据W_Data来源，多了MDR，故W_Data的二选一变成三选一

③执行DM写操作时，写入的数据M_W_Data由谁提供？

• sw指令执行数据存储器的写操作，写入的数据是rs2寄存器的内容
• rs2寄存器的内容保存在B暂存器中
• 故执行DM写操作时，写入的数据M_W_Data由暂存器B提供

数据存储器

• 地址：暂存器F提供，Why？ EA = rs1 + imm32
• 读出数据：接暂存器MDR，clk上跳沿读出，下跳沿打入MDR
• 写入数据：从暂存器B引入，Why？sw指令：rs2 -> Mem，rs2内容在B中
• 写使能信号：Mem_Write = 1，clk上跳沿写入

W_Data的三选一数据选择器

• R型指令：w_data_s = 0，W_Data = F
• I型运算指令：w_data_s = 0，W_Data = F
• U型指令lui：w_data_s = 1，W_Data = imm32
• I型访存指令lw：w_data_s = 2，W_Data = MDR

MDR

• 输入：DMem读出数据
• clk下跳沿读出数据打入MDR
• 输出：数据写入W_Data

五、转移类指令的数据通路设计

转移地址专用加法器

• 输入：PC0 + imm32
• 输出：运算器结果写入PC受多路选择器控制

PC0暂存器

• 输入：PC取指令周期，在clk下跳沿，PC0_Write = 1，将PC打入PC0
• 输出：送入转移地址专用加法器

PC写入多路选择器：三选一

• 所有指令的取值周期：PC_s = 0，PC + 4 -> PC
• beq分支指令：ZF = 1 或 PC_s = 1，PC0 + imm32 -> PC
• jal转移并链接指令：PC_s = 1，PC0 + imm32 -> PC
• jalr转移并链接指令：PC_s = 2，F（=rs1+imm32） -> PC

W_Data的四选一数据选择器

• R型指令：w_data_s = 0，W_Data = F
• I型运算指令：w_data_s = 0，W_Data = F
• U型指令lui：w_data_s = 1，W_Data = imm32
• I型访存指令lw：w_data_s = 2，W_Data = MDR
• J型转移指令jal：w_data_s = 3，W_Data = PC
• I型转移指令jalr：w_data_s = 3，W_Data = PC
• B型beq指令呢？w_data_s = ? S型sw指令呢？无所谓，因为不写rd，Reg_Write = 0

RV321目标指令集的25条核心执行执行的流程图

 

RV321目标指令集的25条核心执行执行的控制信号表

部件的控制信号表（高电平有效）

六、RISC-V模型机控制单元CU的有限状态机设计

如何产生部件控制信号？由操作控制信号形成部件（控制单元CU）产生

CU的实现方法

• 硬布线控制器：组合逻辑电路
• 微程序控制器：存储逻辑电路
• 有限状态机 FSM：适用于FPGA器件，本质上是组合逻辑+时序逻辑

有限状态机原理：Finite State Machine，通过状态迁移来完成特定的顺序逻辑控制

有限状态机构成：1个状态存储器 + 2个函数

• 状态存储器：由触发器构成，保存FSM的当前状态
• 下一状态函数：根据输入和当前状态来产生状态触发器的激励信号，实现向次态转移
• 输出函数：由当前状态、当前输入产生状态机的输出信号
• 复位信号rst：初始化有限状态机为初始状态
• 时钟信号clk：触发状态转移

1. 有限状态机原理

有限状态机设计步骤

• 确定电路的输入、输出与状态，画出状态转移图
• 状态化简：得到最简的状态转移图
• 状态编码：采用8421码或格雷码或独热码都可
• 求出下一状态和输出函数，用电路实现，或者采用HDL描述，用FPGA等器件实现

用有限状态机实现控制单元CU：

• 输入变量：指令译码输出的指令信号（IS_R、IS_IMM等）
• 输出变量：指令什么时间、要发送什么控制信号，由当前状态决定

2. 指令执行的状态转移图

指令执行流程图就是一个状态转移图，每个方框就是一个状态

• 有重复状态，例如“Reg[rs1] -> A，Reg[rs2] -> B”
• 合并重复状态，得到最简状态图

3. 状态编码及输出的控制信号

4. 控制单元CU的有限状态机