RISC-V 实现整数运算指令(Part 1)
自己参考代码分析
验证I型运算指令
源代码
package alu_defs;enum logic [3:0] {ADD = 4'b0001,SUB = 4'b0010,AND = 4'b0011,OR = 4'b0100,XOR = 4'b0101,SRA = 4'b0110,SLL = 4'b0111,SRL = 4'b1000} aluop;endpackage`default_nettype none
// --------------------------------------------------------------------
// CPU 模块
// --------------------------------------------------------------------
module CPU#(parameter DATAWIDTH = 32,parameter ADDRWIDTH = 32)
(input wire iCPU_Reset,input wire iCPU_Clk,// 指令存储器接口output wire [ADDRWIDTH-1:0] oIM_Addr, //指令存储器地址input wire [DATAWIDTH-1:0] iIM_Data, //指令存储器数据// 数据存储器接口input wire [DATAWIDTH-1:0] iReadData, //数据存储器读数据output wire [DATAWIDTH-1:0] oWriteData, //数据存储器写数据output wire [ADDRWIDTH-1:0] oAB, //数据存储器地址output wire oWR, //数据存储器写使能// 连接调试器的信号output wire [ADDRWIDTH-1:0] oCurrent_PC,output wire oFetch,input wire iScanClk,input wire iScanIn,output wire oScanOut,input wire [1:0] iScanCtrl
);/** The input port is replaced with an internal signal **/wire clk = iCPU_Clk;wire reset = iCPU_Reset;// Instruction partslogic [31:0] pc, nextPC;logic [31:0] instruction; // instruction codeassign nextPC = pc + 4; /*-TODO 目前仅支持PC+4,增加分支指令时需修改 -*/// PCDataReg #(32) pcreg(.iD(nextPC), .oQ(pc), .Clk(clk), .Reset(reset), .Load(1'b1));assign oIM_Addr = pc; // 连接指令存储器的地址端口assign instruction = iIM_Data;// 连接指令存储器的数据端口// Instruction decodelogic [6:0] opcode;logic [2:0] funct3;logic [6:0] funct7;logic [4:0] ra1,ra2,wa;assign funct7 = instruction[31:25];assign ra2 = instruction[24:20];assign ra1 = instruction[19:15];assign funct3 = instruction[14:12];assign wa = instruction[11:7];assign opcode = instruction[6:0];// Control unitlogic cRegWrite;logic [3:0] aluOp;logic [4:0] cImm_type; //{J,U,B,S,I}Controller controller(.iOpcode(opcode),.iFunct3(funct3),.iFunct7(funct7),/*-TODO 随着指令的增加,相应添加端口信号 -*/.oRegWrite(cRegWrite),.oImm_type(cImm_type),.oALUop(aluOp));// Immediate data generationlogic [31:0] immData;ImmGen immGen(.iInstruction(instruction[31:7]),.iImm_type(cImm_type),.oImmediate(immData));// Register filelogic [31:0] regWriteData, regReadData1, regReadData2;RegisterFile #(32) regFile(.Clk(clk),.iWE(cRegWrite), .iWA(wa), .iWD(regWriteData),.iRA1(ra1), .oRD1(regReadData1),.iRA2(ra2), .oRD2(regReadData2));assign regWriteData = aluOut; /*-目前仅支持将ALU运算结果写入寄存器堆,TODO:增加Load类指令时需修改 -*/// ALUlogic [31:0] aluOut;ALU alu(.iX(regReadData1),.iY(immData),.iALUop(aluOp),.oF(aluOut),.moveBit(ra2));/*-TODO 连接数据存储器 -*///---------------------- 送给调试器的变量 ------------------------////送给调试器的观察信号,需要与虚拟面板的信号框相对应struct packed{/*-TODO 在这里添加观察信号的类型 -*/logic [3:0] ALUop; //对应虚拟元件WS2logic RegWrite; //对应虚拟元件WS1logic [4:0] ImmType; //对应虚拟元件WS0}ws;always_comb begin/*-【注意】添加观察信号类型后须关联相应变量!-*/ws.ALUop = aluOp; //对应虚拟元件WS2ws.RegWrite = cRegWrite; //对应虚拟元件WS1ws.ImmType = cImm_type; //对应虚拟元件WS0end//送给调试器的观察变量,需要与虚拟面板的数据框相对应struct packed{/*-TODO 在这里添加观察数据的类型 -*/logic [3:0] ALUop;logic [31:0] aluOut; //对应虚拟元件WD8logic [31:0] immData; //对应虚拟元件WD7logic [31:0] regReadData1; //对应虚拟元件WD6logic [4:0] ra2; //对应虚拟元件WD5,5位logic [4:0] ra1; //对应虚拟元件WD4,5位logic [4:0] wa; //对应虚拟元件WD3,5位logic [31:0] instruction; //对应虚拟元件WD2logic [31:0] pc; //对应虚拟元件WD1logic [31:0] nextPC; //对应虚拟元件WD0}wd;always_comb begin/*-【注意】添加观察数据类型后须关联相应变量!-*/wd.ALUop = aluOp;wd.aluOut = aluOut; //对应虚拟元件WD8wd.immData = immData; //对应虚拟元件WD7wd.regReadData1 = regReadData1; //对应虚拟元件WD6wd.ra2 = ra2; //对应虚拟元件WD5,5位wd.ra1 = ra1; //对应虚拟元件WD4,5位wd.wa = wa; //对应虚拟元件WD3,5位wd.instruction = instruction; //对应虚拟元件WD2wd.pc = pc; //对应虚拟元件WD1wd.nextPC = nextPC; //对应虚拟元件WD0end// 调试器部分,请勿修改!WatchChain #(.DATAWIDTH($bits(ws)+$bits(wd))) WatchChain_inst(.DataIn({ws,wd}),.ScanIn(iScanIn),.ScanOut(oScanOut),.ShiftDR(iScanCtrl[1]),.CaptureDR(iScanCtrl[0]),.TCK(iScanClk));assign oCurrent_PC = pc;assign oFetch = 1'b1;endmodule// --------------------------------------------------------------------
// Controller模块
// --------------------------------------------------------------------module Controller(input logic [6:0] iOpcode,input logic [2:0] iFunct3,input logic [6:0] iFunct7,/*- TODO:扩充指令时在这里增加端口 -*/output logic [3:0] oALUop,output logic oRegWrite,output logic [4:0] oImm_type //对应五种类型:{J,U,B,S,I}
);always @ * begin/*- TODO:扩充指令时需修改 ...... -*///I型指令if (iOpcode==7'b0010011) beginoImm_type = 5'b00001;oRegWrite = 1'b1;if(iFunct3 == 3'b000) oALUop = 4'b0001;else if(iFunct3 == 3'b001) oALUop = 4'b0111;else if(iFunct3 == 3'b100) oALUop = 4'b0101;else if(iFunct3 == 3'b101 && iFunct7[5] == 1'b0) oALUop = 4'b1000;else if(iFunct3 == 3'b101 && iFunct7[5] == 1'b1) oALUop = 4'b0110;else if(iFunct3 == 3'b110) oALUop = 4'b0100;else if(iFunct3 == 3'b111) oALUop = 4'b0011;endelse beginoALUop = 5'b00000;oImm_type = 5'b00000;oRegWrite = 1'b0;end
end
endmodule// --------------------------------------------------------------------
// 立即数生成模块
// --------------------------------------------------------------------
module ImmGen( //立即数生成input logic [4:0] iImm_type, //{J,U,B,S,I}input logic [31:7] iInstruction,output logic [31:0] oImmediate
);
/*- TODO:增加其他类型的立即数需修改。目前只有I型,所以并未区分Imm_type -*/
always_comb beginif(iImm_type == 5'b00001)oImmediate = {{20{iInstruction[31]}}, iInstruction[31:20]};else if(iImm_type == 5'b00000)oImmediate = {32{1'b0}};elseoImmediate = {32{1'bx}};
end
endmodule// --------------------------------------------------------------------
// ALU模块
// --------------------------------------------------------------------
module ALU
#(parameter N=32)
(input logic [N-1:0] iX, iY,input logic [3:0] iALUop,input logic [4:0] moveBit,output logic [N-1:0] oF
);
wire [N-1:0] X = iX;
wire [N-1:0] Y = iY;
always_comb begincase (iALUop)4'b0001: oF = X + Y;4'b0010: oF = X - Y;4'b0011: oF = X & Y;4'b0100: oF = X | Y;4'b0101: oF = X ^ Y;4'b0110: oF = $signed(X) >>> moveBit;4'b0111: oF = X << moveBit;4'b1000: oF = X >> moveBit;default: oF = {4{1'bx}};endcase
end
endmodule// --------------------------------------------------------------------
// 三端口寄存器堆模块
// --------------------------------------------------------------------
module RegisterFile#(parameter DATAWIDTH = 32,parameter ADDRWIDTH = 5)
(input logic Clk,input logic iWE,input logic [4:0] iWA, iRA1, iRA2,input logic [31:0] iWD,output logic [31:0] oRD1, oRD2
);
/*- TODO:... -*/
localparam MEMDEPTH = 1<<ADDRWIDTH;
logic [DATAWIDTH-1:0] mem[0:MEMDEPTH-1];always_ff @(posedge Clk)
beginif(iWE)if(iWA!={ADDRWIDTH{1'b0}})mem[iWA] <= iWD;
endassign oRD1 = mem[iRA1];
assign oRD2 = mem[iRA2];
endmodule// --------------------------------------------------------------------
// DataReg模块
// --------------------------------------------------------------------
module DataReg
#(parameter N = 4)
( output reg [N-1:0] oQ,input wire [N-1:0] iD,input wire Clk,input wire Load,input wire Reset
);
always @(posedge Clk or posedge Reset)
beginif (Reset)oQ <= 0;else if (Load)oQ <= iD;
end
endmodule
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