PicoRV32 笔记 04

PicoRV32 是一款RISC-V指令的实现的软核CPU。

PicoRV32实现指令rdcycle,rdcycleh,用于读取时钟计数，当使能ENABLE_COUNTERS和ENABLE_COUNTERS64，此指令便有效。

PicoRV32内部实现64bit的计数器count_cycle，定义在源码234行

在源码1486行-1492行对cout_cycle操作

由上源码可知，当使能ENABLE_COUNTERS，每个时钟的上升沿对count_cycle操作，

如果复位则count_cycle取值为0,反之自增1,如果没有使能ENABLE_COUNTERS64则把count_cycle的64bit-32bit设置为0,如果没有使能ENABLE_COUNTERS则count_cycle值为任意，与此同时对应的指令也会被取消，此时使用rdcycle,rdcycleh会导致硬件异常。

涉及到源码中对count_cycle操作的另一处，就是读取计数器的内容

在源码的1686行 “ENABLE_COUNTERS && is_rdcycle_rdcycleh_rdinstr_rdinstrh”判断指令是否是 rdcycle, rdcycleh, rdinstr, rdinstrh这四条指令，如果是rdcycle,则把count_cycle[31:0]写到目标寄存器，如果是rdcycleh则把count_cycle[63:32]写到目标寄存器中。

is_rdcycle_rdcycleh_rdinstr_rdinstrh：是一个单bit信号，PicoRV32中有几个此类信号，用于对一类操作指令进行归类。

例如

assign is_rdcycle_rdcycleh_rdinstr_rdinstrh = |{instr_rdcycle, instr_rdcycleh, instr_rdinstr, instr_rdinstrh};

is_rdcycle_rdcycleh_rdinstr_rdinstrh：判断指令是否是 instr_rdcycle, instr_rdcycleh, instr_rdinstr, instr_rdinstrh其中的一个。注意 |{......} 中的|是个单目运算符，表示把组合后的信号的所有bit进行or运算。

is_lui_auipc_jal <= |{instr_lui, instr_auipc, instr_jal};判断指令是否是instr_lui, instr_auipc, instr_jal

is_lui_auipc_jal_jalr_addi_add_sub <= |{instr_lui, instr_auipc, instr_jal, instr_jalr, instr_addi, instr_add, instr_sub};判断指令是否是instr_lui, instr_auipc, instr_jal, instr_jalr, instr_addi, instr_add, instr_sub

is_slti_blt_slt <= |{instr_slti, instr_blt, instr_slt};判断指令是否是instr_slti, instr_blt, instr_slt

is_lbu_lhu_lw <= |{instr_lbu, instr_lhu, instr_lw};判断指令是否是instr_lbu, instr_lhu, instr_lw

is_compare <= |{is_beq_bne_blt_bge_bltu_bgeu, instr_slti, instr_slt, instr_sltiu, instr_sltu};判断指令是is_beq_bne_blt_bge_bltu_bgeu, instr_slti, instr_slt, instr_sltiu, instr_sltu

is_beq_bne_blt_bge_bltu_bgeu <= mem_rdata_latched[6:0] == 7'b1100011;判断指令是否是beq bne blt bge bltu bgeu

is_lb_lh_lw_lbu_lhu <= mem_rdata_latched[6:0] == 7'b0000011;判断指令是否是lb lh lw lbu lhu

is_sb_sh_sw <= mem_rdata_latched[6:0] == 7'b0100011;判断指令是否是 sb sh sw

is_alu_reg_imm <= mem_rdata_latched[6:0] == 7'b0010011;判断指令的原操作数是否是寄存器和立即数

is_alu_reg_reg <= mem_rdata_latched[6:0] == 7'b0110011;判断指令的原操作数是否是寄存器和寄存器

is_slli_srli_srai <= is_alu_reg_imm && |{
               mem_rdata_q[14:12] == 3'b001 && mem_rdata_q[31:25] == 7'b0000000,
               mem_rdata_q[14:12] == 3'b101 && mem_rdata_q[31:25] == 7'b0000000,
               mem_rdata_q[14:12] == 3'b101 && mem_rdata_q[31:25] == 7'b0100000
           };

判断指令是否是slli srli srai

is_jalr_addi_slti_sltiu_xori_ori_andi <= instr_jalr || is_alu_reg_imm && |{
               mem_rdata_q[14:12] == 3'b000,
               mem_rdata_q[14:12] == 3'b010,
               mem_rdata_q[14:12] == 3'b011,
               mem_rdata_q[14:12] == 3'b100,
               mem_rdata_q[14:12] == 3'b110,
               mem_rdata_q[14:12] == 3'b111
           };

判断指令是否是jalr addi slti sltiu xori ori andi

is_sll_srl_sra <= is_alu_reg_reg && |{
               mem_rdata_q[14:12] == 3'b001 && mem_rdata_q[31:25] == 7'b0000000,
               mem_rdata_q[14:12] == 3'b101 && mem_rdata_q[31:25] == 7'b0000000,
               mem_rdata_q[14:12] == 3'b101 && mem_rdata_q[31:25] == 7'b0100000
           };

判断指令是否是sll srl sra

根据RISC-V的基础指令集RV32I表，其中47条指令，有11个opcode

7'b011_0111: lui

7'b001_0111: auipc

7'b110_1111: jal

7'b110_0111:jalr

7'b110_0011: beq, bne, blt, bge, bltu, bgeu

7'b000_0011: lb, lh, lw, lbu, lhu

7'b010_0011: sb, sh, sw

7'b001_0011:addi, slti, sltiu, xori, ori, andi, slli, srli, srai

7'b011_0011:add, sub, sll, slt, sltu, xor, srl, sra, or, and

7'b000_1111: fence, fence.i

7'b111_0011: ecall, ebreak, csrrw, csrrs, csrrc, csrrwi, csrrsi, csrrci

综上所述，PicoRV32首先通过opcode对指令先对指令进行分类

信号名	操作吗	对应指令
instr_lui	7'b011_0111	lui
instr_auipc	7'b001_0111	auipc
instr_jal	7'b110_1111	jal
instr_jalr	7'b110_0111, fun3=3'b000	jalr
is_beq_bne_blt_bge_bltu_bgeu	7'b110_0011	beq,bne,blt,bge,bltu,bgeu
is_lb_lh_lw_lbu_lhu	7'b000_0011	lb, lh, lw, lbu, lhu
is_sb_sh_sw	7'b010_0011	sb, sh, sw
is_alu_reg_imm	7'b001_0011	addi,slti,sltiu, xori,ori,andi,slli,srli,srai
is_alu_reg_reg	7'b011_0011	add, sub, sll, slt, sltu,xor, srl,sra,or,and
instr_getq	7'b000_1011,fun7=7'b000_0000	getq
instr_setq	7'b000_1011,fun7=7'b000_0001	setq
instr_retirq	7'b000_1011,fun7=7'b000_0010	retirq
instr_maskirq	7'b000_1011,fun7=7'b000_0011	maskirq
instr_waitirq	7'b000_1011,fun7=7'b000_0100	waitirq
instr_timer	7'b000_1011,fun7=7'b000_0101	timer

接下来在第一分类的基础上进行细分

跳转类的指令，6条

instr_beq ：is_beq_bne_blt_bge_bltu_bgeu && fun3 = 3'b000;

instr_bne：is_beq_bne_blt_bge_bltu_bgeu && fun3 = 3'b001;
instr_blt ： is_beq_bne_blt_bge_bltu_bgeu && fun3 = 3'b100;
instr_bge ： is_beq_bne_blt_bge_bltu_bgeu && fun3 = 3'b101;
instr_bltu ： is_beq_bne_blt_bge_bltu_bgeu && fun3 = 3'b110;
instr_bgeu ： is_beq_bne_blt_bge_bltu_bgeu && fun3 = 3'b111;

加载指令，5条

instr_lb    ： is_lb_lh_lw_lbu_lhu && fun3 = 3'b000;
instr_lh    ： is_lb_lh_lw_lbu_lhu && fun3 = 3'b001;
instr_lw    ： is_lb_lh_lw_lbu_lhu && fun3 = 3'b010;
instr_lbu   ： is_lb_lh_lw_lbu_lhu && fun3 = 3'b100;
instr_lhu   ： is_lb_lh_lw_lbu_lhu && fun3 = 3'b101;

存储类指令，3条

instr_sb    ： is_sb_sh_sw && fun3 = 3'b000;
instr_sh    ： is_sb_sh_sw && fun3 = 3'b001;
instr_sw    ： is_sb_sh_sw && fun3 = 3'b010;

寄存器和立即数指令，9条

instr_addi ： is_alu_reg_imm && fun3 =3'b000;
instr_slti ： is_alu_reg_imm && fun3 = 3'b010;
instr_sltiu ： is_alu_reg_imm && fun3 = 3'b011;
instr_xori ： is_alu_reg_imm && fun3 =3'b100;
instr_ori ： is_alu_reg_imm && fun3 = 3'b110;
instr_andi ： is_alu_reg_imm && fun3 = 3'b111;

instr_slli ： is_alu_reg_imm && fun3 = 3'b001 && fun7 = 7'b0000000;
instr_srli ： is_alu_reg_imm && fun3 =3'b101 && fun7 = 7'b0000000;
instr_srai ： is_alu_reg_imm && fun3 = 3'b101 && fun7 = 7'b0100000;

寄存器和寄存器指令，10条

instr_add   ： is_alu_reg_reg &&fun3 = 3'b000 && fun7 = 7'b0000000;
instr_sub   ： is_alu_reg_reg && fun3 = 3'b000 && fun7 = 7'b0100000;
instr_sll   ： is_alu_reg_reg && fun3 = 3'b001 && fun7 = 7'b0000000;
instr_slt   ： is_alu_reg_reg && fun3 = 3'b010 && fun7 = 7'b0000000;
instr_sltu ： is_alu_reg_reg && fun3 = 3'b011 && fun7 = 7'b0000000;
instr_xor   ： is_alu_reg_reg && fun3 = 3'b100 && fun7 = 7'b0000000;
instr_srl   ： is_alu_reg_reg && fun3 = 3'b101 && fun7 = 7'b0000000;
instr_sra   ： is_alu_reg_reg && fun3 = 3'b101 && fun7 = 7'b0100000;
instr_or    ： is_alu_reg_reg && fun3 = 3'b110 && fun7 = 7'b0000000;
instr_and   ： is_alu_reg_reg && fun3 = 3'b111 && fun7 = 7'b0000000;

经过上述细分，支持的指令都可以识别到，接下来把相近功能的指令进行合并

is_lui_auipc_jal：判断指令是否是instr_lui, instr_auipc, instr_jal，

这三条指令整合到一个信号，是因为这三个指令格式基本相同

20bit立即数 | 5bit rd | 7bit操作码

唯一的差别是jal指令的20位立即数排列方式不一样

对于lui指令，把指令跟随的立即数低位补上12'b0加上高位一同放到目标寄存器，

rd = （imm<<12）

对于auipc指令，把pc寄存器的值加上{立即数，12'b0}放到目标寄存器

rd = pc + (imm<<12)

对于jal指令，跳转到地址，并把跳转前的下一条指令地址存储到rd中

rd = pc + 4

pc = pc + imm

is_slti_blt_slt:判断指令是否是slti, blt, slt.

slti: 小于置位，当rs1 < 立即数[11:0] 时候设置rd为1,反之设置为0。 slt =set less then

slt：小于置位，当rs1 < rs2时候，rd为1,反之为0

blt: 小于跳转，当rs1 < rs2时候

is_lb_lh_lw_lbu_lhu：判断指令是否为lb, lh, lw, lbu, lhu

lb: rs1+12位立即数符号扩展后作为地址，读取一个字节并作符号扩展后存放到rd中

lh: rs1+12位立即数符号扩展后作为地址，读取一个16bit并作符号扩展后存放到rd中

lw: rs1+12位立即数符号扩展后作为地址，读取一个32bit后存放到rd中

lbu: rs1+12位立即数符号扩展后作为地址，读取一个8bit并作0扩展后存放到rd中

lhu: rs1+12位立即数符号扩展后作为地址，读取一个16bit并作0扩展后存放到rd中

公共的操作是提取地址

is_slli_srli_srai：判断指令是否是slli, srli, srai.这三条指令格式相同，除了操作码不一样

slli: 把rs1左移n位，低位补0,结果写入rd中

srli:把rs1右移n位，高位补0,结果写入rd中

srai：把rs1右移n位，高位位补符号位,结果写入rd中

is_sb_sh_sw：判断指令是否为sb, sh,sw

sb: rs1+12位立即数符号扩展后作为地址，把rs2最低8bit作为数据写到总线上

sh: rs1+12位立即数符号扩展后作为地址，把rs2最低16bit作为数据写到总线上

sw: rs1+12位立即数符号扩展后作为地址，把rs2为数据写到总线上

公共部分提取地址

is_sll_srl_sra：判断指令是否为sll, srl, sra,这三条指令格式相同，除了操作码不同

sll :把寄存器rs1 左移 rs2位， rs2只有低5位有效

srl :把寄存器rs1 右移 rs2位， rs2只有低5位有效

sra :把寄存器rs1 右移 rs2位，高位填充符号位，rs2只有低5位有效

....

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