一、RISC-V SoC内核——取指代码讲解

在开篇中我们对RISC-V及其SoC软核工程进行了简单介绍，现在来介绍取指模块：

tinyriscv这个SoC工程的内核cpu部分，采用经典的三级流水线结构进行设计，即大家所熟知的：取值—>译码—>执行三级流水线。

另外，在最后一个章节中会上传额外添加详细注释的工程代码，完全开源，如有需要可自行下载。

0 RISC-V SoC注解系列文章目录

1. CPU结构解析

2. 取值结构注解

2.1 pc_reg.v（时序逻辑电路）

2.2. if_id.v（时序逻辑电路）

2.3 rom.v

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零、RISC-V SoC软核笔记详解——前言

一、RISC-V SoC内核注解——取指

二、RISC-V SoC内核注解——译码

三、RISC-V SoC内核注解——执行

四、RISC-V SoC内核注解——除法（试商法）

五、RISC-V SoC内核注解——中断

六、RISC-V SoC内核注解——通用寄存器

七、RISC-V SoC内核注解——总线

八、RISC-V SoC外设注解——GPIO

九、RISC-V SoC外设注解——SPI接口

十、RISC-V SoC外设注解——timer定时器

十一、RISC-V SoC外设注解——UART模块（终篇）

1. CPU结构解析

在注解工程中的“取指”代码之前，先回顾一下CPU执行指令的简略过程（以三级流水线为例）：

CPU内部主要由：

寄存器（Register）：多种寄存器各司其职，有程序计数器（即程序指针PC，Program Counter），用来记录要执行的指令的地址；指令寄存器，用来暂存指令内容；数据寄存器，一般为通用寄存器，用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作数和中间（或最终）的操作结果。
控制单元（Control）：以流水线的方式对指令进行取指，译码，执行，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。
算术逻辑运算单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）：用来执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。

以上三部分组成。

那程序在CPU中是怎么执行的呢？程序执行过程中涉及到的组件在这个tinyriscv工程中是怎么对应的呢？

简化的CPU执行程序的过程如下：

程序经编译器编译后生成二进制指令码，烧写程序即烧写程序对应的二进制指令码，烧写程序到硬件系统中后，这些二进制指令码就保存在系统的硬盘中，当你打开一个程序的时候，就把对应的指令码+数据加载到了内存里，其中指令部分被随后加载到了CPU的缓存里面，然后CPU根据程序计数器，即程序指针PC指向的缓存地址，把存储的指令从缓存取到指令寄存器里面保存，这里是取指；你取过来的指令，是由操作码和地址码组成的，分别表示执行什么操作和对谁操作，但是这些指令需要控制单元里面的一个叫做译码器的东西来分析，分析这些取来的指令码到底是什么意思，然后根据分析出来的内容指定下一步的行动计划：去哪里找什么部件执行什么操作，这是译码。随后数据寄存器把数据从内存里面加载到算术逻辑单元，进行运算，并把结果传回数据寄存器，这就是执行。

以上就是三级流水线CPU的执行过程。在此过程中涉及到的组件与这个tinyriscv工程的对应关系如下：

程序：嵌入式代码，如C代码；

编译器：gnu工具链；

硬件系统：嵌入此工程所编写的SoC软核的硬件平台，如FPGA；

硬盘：可以是上述FPGA板卡的板载flash，烧写代码时，可以将程序烧写固化在flash中，这样板卡掉电后，程序还会存在于flash中，在下次上电后，可从flash中读取；

内存：工程中对应rom.v外设，工程中提供的代码烧写方式是直接烧录在rom中的，板卡掉电后rom中的数据会丢失，需要重新烧写代码；

缓存：此工程比较简洁，没有使用缓存结构，将代码烧写进内存rom中后，cpu内核直接与rom进行通信，从rom中取出指令码，省去了缓存这一层级；

程序指针PC：本质上是一个32bit的寄存器，用于存放指令的地址，在工程的pc_reg.v文件中定义为reg[`InstAddrBus] pc_o；

指令寄存器：存放根据程序指针PC取出的32bit指令码，在工程中定义为inst_i；

2. 取值结构注解

回到tinyriscv工程中，首先看这个RISC-V内核的取指部分：涉及到pc_reg.v、if_id.v、rom.v等模块：

取指模块的整体框图如下所示：

取指模块的详细介绍如下：

2.1 pc_reg.v（时序逻辑电路）

主要功能为：对指令存储器的地址信号，进行复位、跳转、暂停、地址递增等操作，即是对指令的地址进行处理，用于产生PC寄存器的值，该值会被用作指令存储器的地址信号，用来从rom中读取指令内容；

pc_reg模块有3个主要输入，分别是：跳转标志jump_flag_i，跳转地址jump_addr_i，和流水线暂停标志hold_flag_i，这三个输入信号从crtl.v模块接入，还有1个由jtag调试模块接入的复位标志jtag_reset_flag_i，用于jtag下载调试。

1个输出信号pc_o，即输出指令的地址，输出给总线，通过总线将指令寄存器的地址信号送入ROM，之后可从ROM中，把具体的指令给if_id模块。

2.2. if_id.v（时序逻辑电路）

主要功能为：取指，并将从rom中读取的指令打一拍后送到译码模块，即将取指数据（三级流水的第一级）打一拍，送入下一级（译码）。

此处插播一条内容：为什么CPU内核运行，要有流水线操作，比如此处的三级流水（取指----译码----执行）？

答案播报（以下播报内容引用源代码作者的博客）：

这与数字电路中的时序有关，用以下这个模型为例：

其中对时序影响最大的是上图中的组合逻辑电路。所以要避免时序问题，最简单的方法减小组合逻辑电路的延时。组合逻辑电路里的串联级数越多延时就越大，实在没办法减小串联级数时，可以采用流水线的方式将这些级数用触发器隔开。要设计处理器的话，流水线是绕不开的。当然你也可以抬杠说:”用状态机也可以实现处理器啊，不一定要用流水线。采用流水线设计方式，不但可以提高处理器的工作频率，还可以提高处理器的效率。但是流水线并不是越长越好，流水线越长要使用的资源就越多、面积就越大。在设计一款处理器之前，首先要确定好所设计的处理器要达到什么样的性能(或者说主频最高是多少)，所使用的资源的上限是多少，功耗范围是多少。如果一味地追求性能而不考虑资源和功耗的话，那么所设计出来的处理器估计就只能用来玩玩，或者做做学术研究。tinyriscv采用的是三级流水线，即取指、译码和执行，设计的目标就是要对标ARM的Cortex-M3系列处理器。（播报结束）

输入信号：

指令内容inst_i，从rom.v中读取得地址，读取地址是组合逻辑；
指令地址inst_addr_i，从pc_reg.v模块接入，向下一级流水译，即码模块传递；
流水线暂停标志hold_flag_i，信号位宽为3bit，从ctrl.v模块传入，根据不同的暂停信号，选择是否暂停整条流水线；
外设中断输入信号int_flag_i，由time.v模块传入，用于定时器中断发生时，暂停主程序流水线，转而执行中断操作。

输出信号：

外设中断输入的输出信号int_flag_o，如果复位或者暂停流水线信号无效，则外设（timer）中断输入信号int_flag_i被打一拍后送到clint.v模块（clint.v模块是中断管理模块，后续会讲到）；
指令内容inst_o，如果复位或者暂停流水线信号无效，则将由rom输入的指令内容inst_i打一拍输出到id.v译码模块和clint.v模块；
指令地址inst_addr_o，如果复位或者暂停流水线信号无效，则指令地址inst_addr_i被打一拍，输出到id.v译码模块和clint.v模块；

若流水线暂停信号hold_flag_i有效，需要冲刷流水线，则设置inst_i、inst_addr_i、int_flag_i为默认值（32'h00000001、32‘d0、8'h0），然后传递给下一级模块。

2.3 rom.v

要功能为：存储烧写的指令码，并根据PC寄存器的值向外输出指令码；

 reg[`MemBus] _rom[0:`RomNum - 1];

定义一个32*4096的二维数组，作为存储数据的空间。即存储32bit的指令码，最多可以存储4096条指令码，4096这个维度即指令码对应的地址。

在数据存入和读出的过程中：

    always @ (posedge clk) beginif (we_i == `WriteEnable) begin_rom[addr_i[31:2]] <= data_i;endend

注意到_rom的地址索引为addr_i[31:2]，即指令地址addr_i的高30位，这是为什么呢？

在计算机体系结构中，一个字节可以存储8bit数据，而内存空间映射的地址，一个地址对应一个8bit数据，即一个字节的数据；一条32bit的指令码，由4个字节组成，在内存空间中占用4个地址，这也是为什么在pc_reg.v模块中，pc的值每次累加4'h4的原因：

else beginpc_o <= pc_o + 4'h4;end

但是在rom中，定义的_rom存储空间是32*4096的，4096这个维度是32bit指令码的索引，即地址，结构如下：

_rom中一个地址对应的是32bit数据，所以实际映射地址的4个地址的数据（4*8bit）对应_rom数组存储结构中1个地址的数据（32bit），但是_rom中的数据又是紧凑存储的，而pc程序指针数值上是以4为间隔递增，即pc值的低2位pc[1:0]是以4为周期变化，不能直接作为rom的索引地址，而pc[1:0]由0加4，对应32bit数据，pc[31:2]也递增1表示，与_rom索引变化一致，所以使用pc地址的高30位作为rom的指令索引地址。

另外，在实际移植到FPGA的过程中，需要注意所用FPGA芯片的资源容量，适当的调整这个二维数组的大小。