手搓单周期、流水线CPU

实验指导书连接实验概述 - 计算机设计与实践（2022夏季） | 哈工大（深圳） (gitee.io)

实现的18条指令如下： 【注释：(r)表示寄存器r的值，Mem[addr]表示地址为addr的存储单元的值，sext(a)表示a的符号扩展】 add rd, rs1, rs2： 加(rd)ß(rs1)+(rs2) sub rd, rs1, rs2: 减(rd)ß(rs1)-(rs2) and rd, rd, rs1,rs2: 与(rd)ß(rs1)&(rs2) or rd, rs1, rs2: 或(rd)ß(rs1)|(rs2) xor rd, rs1, rs2: 异或(rd)ß(rs1)^(rs2) sll rd, rs1, rs2: 左移(rd)ß(rs1)<<(rs2) srl rd, rs1, rs2: 逻辑右移(rd)ß(rs1)>>(rs2) sra rd, rs1, rs2: 算术右移(rd)ß($signed(rs1))>>(rs2) addi rd, rs1, imm: 加立即数(rd)ß(rs1)+sext(imm) andi rd, rs1, imm: 与立即数(rd)ß(rs1)&sext(imm) ori rd, rs1, imm: 或立即数(rd)ß(rs1)|sext(imm) xori rd, rs1, imm: 异或立即数(rd)ß(rs1)^sext(imm) slli rd, rs1, shamt: 左移立即数位(rd)ß(rs1)< srli rd, rs1, shamt: 逻辑右移立即数位(rd)ß(rs1)>>shamt srai rd, rs1, shamt: 算数右移立即数(rd)ß ($signed(rs1))>>shamt lw rd, offset(rs1): 取数(rd)ßsext(Mem[(rs1)+sext(offset)][31:0] jalr rd, offset(rs1): 跳转tß(pc)+4;(pc)ß((rs1)+sext(offset))&~1;(rd)ßt（将原来的pc+4的值写入寄存器rd，将pc设置为(rs1)+sext(offset)，把计算出的地址的最低位设为0） sw rs2, offset(rs1): 存数Mem[(rs1)+sext(offset)]ß(rs2)[31:0] beq rs1, rs2, offset: 相等则跳转if((rs1)==(rs2))(pc)ß(pc)+sext(offset) bne rs1, rs2, offset: 不等则跳转if((rs1)≠(rs2))(pc)ß(pc)+sext(offset) blt rs1, rs2, offset: 小于则跳转if((rs1)<(rs2))(pc)ß(pc)+sext(offset)（有符号数） bge rs1, rs2, offset: 大于等于则跳转if((rs1)≥(rs2))(pc)ß(pc)+sext(offset)（有符号数） lui rd, imm: 取长立即数(rd)ßsext(imm[31:12]<<12) jal rd, offset: 跳转(rd)ß(pc)+4; (pc)ß(pc)+sext(offset) 按照指导书,单周期时钟频率使用25mhz，流水线频率使用50mhz皆成功。单周期未做更高频率的尝试，流水线cpu频率成功上板最高为180mhz。

设计的主要特色（除基本要求以外的设计）

流水线CPU设计中，对于不涉及访存的数据冒险，RAW冒险的三种情形均采用前递的方式解决，提高执行效率；对于涉及访存的数据冒险，采用先停顿后续指令一个时钟周期，再前递的方式解决；对于控制冒险，采用静态预测的方式解决，预测分支指令总是不跳转，若在分支指令到达执行阶段时发现预测错误，则将后续已传入错误指令的流水级清空，以在下一个时钟周期传入正确的指令。

资源使用、功耗数据截图（Post Implementation；含单周期、流水线2个截图）

以下是示例，请贴自己的图。 单周期25mhz   流水线50mhz   流水线100mhz   流水线180mhz

1 单周期CPU设计与实现

1.1 单周期CPU整体框图

要求：无需画出模块内的具体逻辑，但要标出模块的接口信号名、模块之间信号线的信号名和位宽，以及说明每个模块的功能含义。

各个模块功能： pc：更新pc 指令IM：指令寄存器 寄存器堆regfile：从此获取32个寄存器存储内容 控制单元control：给出控制信号 比较器BranchComp：获取相应比较结果 计算器ALU：获取相应计算结果 数据寄存器DM：根据所给地址获得内存内容 MUX_WB：选择写回数据寄存器的内容

1.2 单周期CPU模块详细设计

要求：画出各个模块的详细设计图，包含内部的子模块，以及关键性逻辑；标出子模块接口信号名、各信号线的信号名和位宽，并有详细的解释说明。

next_pc的赋值采用组合逻辑，当pcSel为0时表示跳转，被赋为计算出来的地址from_alu；当pcSel为1时表示不跳转，被赋为pc4（恒为pc+4）。复位信号rst无效一个时钟周期后的时钟上升沿信号rst_p无效。current_pc的赋值采用时序逻辑，在每个时钟上升沿，当rst_p有效时，被赋值为0；无效时，被赋值为next_pc。以实现pc的更新。   控制信号的赋值均采用组合逻辑。 pcSel：根据opcode判断指令类型，当指令为R型指令、I型指令、LW指令、S型指令、U型指令时，指令不跳转，pcSel设为1；当指令为B型指令时，由比较器结果判断指令跳转与否，pcSel设为brAns；当指令为J型指令或jalr指令，指令跳转，pcSel设为0；其余情况默认指令不跳转，pcSel设为1。 regWEn：当指令为S型指令或B型指令时，不写寄存器，regWEn设为0，否则设为1。 immSel：根据opcode判断指令类型选择如何对立即数进行扩展。当指令为I型指令、LW指令、jalr指令时，immSel设为`I_SEXT；当指令为S型指令时，immSel设为`S_SEXT ；当指令为B型指令时，immSel设为`B_SEXT；当指令为U型指令时，immSel设为`U_SEXT；当指令为J型指令时，immSel设为`J_SEXT；其余情况默认immSel设为3’b111。 brOp：当指令类型为B型指令时，比较器做何比较由funct3决定，直接将brOp设为funct3；其余情况默认brOp设为3’b111。 aSel：根据指令类型判断ALU第一个操作数。当指令类型为B型指令或J型指令时， aSel设为0；否则aSel设为1。 bSel：根据指令类型判断ALU第二个操作数。当指令类型为R型指令时， bSel设为0；否则bSel设为1。 aluSel：当指令类型为R型指令时，根据funct3和funct7判断计算器进行的操作类型，分别将aluSel设为`SUB、`ADD、`AND、`OR、`XOR、`SLL、`SRL、`SRA，其它情况默认为`NOOP；当指令类型为I型指令时，根据funct3和funct7判断计算器进行的操作类型，分别将aluSel设为`ADD、`AND、`OR、`XOR、`SLL、`SRL、`SRA，其它情况默认为`NOOP；当指令为LW指令、jalr指令、S型指令、B型指令、J型指令时，aluSel设为`ADD；当指令为U型指令时，aluSel设为`LUI；其余情况默认aluSel设为`NOOP。 memRW：根据指令类型判断读写内存。当指令类型为S型指令时需要写内存，memRW设为1；其余情况默认不写内存，设为0。 wbSel：根据指令类型选择写回寄存器的内容。当指令类型为J型指令、jalr指令时， wbSel设为`PC4；当指令为LW指令时， wbSel设为`FROM_DM；其余情况默认wbSel设为`FROM_ALU。   读寄存器采用时序逻辑，每个时钟下降沿来临时，若rR1不是0号寄存器，将其中存储的内容赋给rD1，否则将rD1设为0；若rR2不是0号寄存器，将其中存储的内容赋给rD2，否则将rD2设为0。 写寄存器采用时序逻辑，每个时钟上升沿来临时，0号寄存器reg_array[0]恒设为0，复位信号有效时，所有寄存器设为0。不复位时，若写寄存器堆信号有效，即wE为1时，且目标寄存器不是0号寄存器，则将reg_array[wR]设为wD。   根据控制信号对25位的数ins进行相应立即数扩展为32位的sext_imm。当sext_op为`I_SEXT时，进行I型立即数扩展；当sext_op为`S_SEXT 时，进行S型立即数扩展；当sext_op为`B_SEXT，进行B型立即数扩展；当sext_op为`U_SEXT 时，进行U型立即数扩展；当sext_op为`J_SEXT 时，进行J型立即数扩展；其余情况默认设置sext_imm为0。   brOp为`BEQ时，data1==data2则将brAns设为0，否则为1；为`BNE时，与`BEQ 相反；为`BLT时，data1   运算器采用组合逻辑。 aSel为0时，ALU第一个操作数a选择pc，为1时选择reg1存储的数。bSel为0时，ALU第二个操作数b选择reg2存储的数，为1时选择扩展后的立即数。当aluSel为`ADD时，ALU对两操作数进行加法操作（result=a+b）；当为`SUB时，做减法操作（result=a-b）；当为`AND时，做与操作（result=a&b）；当为`OR时，做或操作（result=a|b）；当为`XOR时，做异或操作（result=a^b）；当为`SLL时，做左移操作（result=a<>b[4:0]）；当为`SRA时，做算数右移操作（result=($signed(a))>>>b[4:0]）；当为`LUI时，直接将b赋值给result（result=b）；其他情况默认将result直接赋值为0。   寄存器堆写回值dataW的赋值采用组合逻辑。当wbSel=`PC4时，选择pc+4；当wbSel=`FROM_ALU时，选择ALU的计算结果；当wbSel=`FROM_DM时，选择从DM中取出的结果。   数码管显示逻辑。Top模块获取数码管所需显示的数字data和进行时钟分频得到时钟信号clk_1khz，传入shumaguan模块，由shumaguan模块计算出每个分频后时钟周期显示的数字num和数码管使能信号。

1.3 单周期CPU仿真及结果分析

要求：包含逻辑运算、访存、分支跳转三类指令的仿真截图以及波形分析；每类指令的截图和分析中，至少包含1条具体指令；截图需包含信号名和关键信号。

4:     02500413               addi        x8,x0,37 在时钟上升沿获得当前pc后，从IM取出指令instruction，分析指令。从寄存器堆中取出寄存器rR1，即0号寄存器的内容作为ALU的第一个操作数，即a=0；同时由sext_op=0，判断将指令后25位做I型立即数扩展，得到32位的立即数sext_imm作为ALU的第二个操作数，即b=0x25。两操作数在ALU中做加法操作得到结果，即from_alu=0x25，并将该结果写回8号寄存器。   b00:        0000a703               lw   x14,0(x1) 在时钟上升沿获得当前pc后，从IM取出指令instruction，分析指令。从寄存器堆中取出寄存器rR1，即1号寄存器的内容作为ALU的第一个操作数，即a=0x4000；同时由sext_op=0，判断将指令后25位做I型立即数扩展，得到32位的立即数sext_imm作为ALU的第二个操作数，即b=0。两操作数在ALU中做加法操作得到结果，即from_alu=0x4000。该结果作为内存地址，取出该地址中存储的内容0xff00ff写入14号寄存器。   2a4:        fc7716e3                 bne x14,x7,270 在时钟上升沿获得当前pc后，从IM取出指令instruction，分析指令。从寄存器堆中取出寄存器rR1，即14号寄存器的内容作为比较器的第一个操作数，即data1=0；从寄存器堆中取出寄存器rR2，即7号寄存器的内容作为比较器的第一个操作数，即data2=0；由brOp=1，判断两操作数是否相等，得判断结果相等，即brAns=1 ，说明指令顺序执行，不跳转，所以将pc4作为下条pc，即next_pc=0x2a8，而非ALU得到的跳转地址0x270。

2 流水线CPU设计与实现

2.1 流水线的划分

要求：画出流水线如何划分，说明每个流水级具备什么功能、需要完成哪些操作。

经典五级流水结构： 》取指 阶段（Instruction Fetch，IF）：是指将指令从指令存储器中读取出来的过程。 》译码 阶段（Instruction Decode，ID）：是指将取指阶段取出的指令进行翻译的过程。译码阶段将得到指令的操作码、功能码、操作数寄存器号等信息，然后从寄存器堆（Register File）取出操作数，同时产生指令执行所需的控制信号。 》执行 阶段（instruction EXecute，EX）：是指根据指令的操作码和功能码，对指令操作数进行运算的过程。如果指令是一条加法运算指令，则对操作数进行加法操作；如果是减法运算指令，则进行减法操作。CPU中的算术逻辑单元（Arithmetic Logical Unit，ALU）是实施具体运算的硬件功能单元，是执行阶段的核心部件。 》访存 阶段（MEMory access，MEM）：是指访存指令从存储器读出数据，或将数据写入存储器的过程。 》写回 阶段（Write Back，WB）：是指将指令执行结果写回到目标寄存器的过程。运算类指令的执行结果是执行阶段的输出，而访存指令的执行结果则是访存阶段从存储器读取出的数据。

2.2 流水线CPU整体框图

要求：无需画出模块内的具体逻辑，但要标出模块的接口信号名、模块之间信号线的信号名和位宽，以及说明每个模块的功能含义。

各个模块功能： pc：更新pc 指令IM：指令寄存器 寄存器堆regfile：从此获取32个寄存器存储内容 控制单元control：给出控制信号 比较器BranchComp：获取相应比较结果 计算器ALU：获取相应计算结果 数据寄存器DM：根据所给地址获得内存内容 MUX_WB：选择写回数据寄存器的内容 IF/ID流水级、ID/EX流水级、EX/MEM流水级、MEM/WB流水级：4个用于暂存指令执行的中间结果的流水线寄存器 停顿判断逻辑：判断载入使用型数据冒险，并通过暂停和前递解决冒险 前递判断逻辑：判断不涉及LW指令的数据冒险，并通过前递解决冒险

2.3 流水线CPU模块详细设计

要求：画出各个模块的详细设计图，包含内部的子模块，以及关键性逻辑；标出子模块接口信号名、各信号线的信号名和位宽，并有详细的解释说明；此外，必须结合模块图，详细说明数据冒险、控制冒险的解决方法。

当EX阶段正在执行取数指令(opcode_2==`LW_TYPE)，EX阶段的写回寄存器与ID阶段要读取的寄存器reg1/reg2相同(wreg_2==reg1/reg2且rr1_1/rr2_1，其中rr1_1/rr2_1表示ID阶段要读取寄存器reg1/reg2)时，说明此时EX阶段和ID阶段的两条指令发生载入-使用型数据冒险，采用组合逻辑，赋stop1/stop2=1，而停顿信号stop=stop1|stop2，得知此时得停顿。pre11和pre21的赋值采用时序逻辑，复位信号无效时，在每个时钟上升沿将pre11<=stop1、pre21<=stop2。停顿一个时钟周期后，利用pre11或pre21的改变将stop变回0，以实现只停顿一个时钟周期。同时采用组合逻辑，赋停顿后续前递信号pre1\pre2为pre11\pre21，或着当MEM阶段正在执行取数指令(opcode_3==`LW_TYPE)，MEM阶段的写回寄存器与ID阶段要读取的寄存器reg1/reg2相同(wreg_3==reg1/reg2且rr1_1/rr2_1，其中rr1_1/rr2_1表示ID阶段要读取寄存器reg1/reg2)时，将pre1\pre2赋为1。停顿操作在部分部件设计中说明。 代码如下：     当ID阶段正在读寄存器reg1/reg2（即rr1_1/rr2_1）时，若EX阶段的指令要写寄存器wreg_2（即regWEn_2），同时两寄存器是同一个（即reg1== wreg_2/reg2== wreg_2），则检测到RAW情形A，设rs1_id_ex_hazard=1/ rs2_id_ex_hazard=1；若MEM阶段的指令要写寄存器wreg_3（即regWEn_3），同时两寄存器是同一个（即reg1== wreg_3/reg2== wreg_3），则检测到RAW情形B，设rs1_id_mem_hazard=1/ rs2_id_mem_hazard=1；若WB阶段的指令要写寄存器wreg_4（即regWEn_4），同时两寄存器是同一个（即reg1== wreg_4/reg2== wreg_4），则检测到RAW情形C，设rs1_id_wb_hazard=1/ rs2_id_wb_hazard=1。都需要前递。 前递的具体操作： pre1=1：将MEM阶段从DM中取来的数(from_dm_3)赋给data1_1 pre2=1：将MEM阶段从DM中取来的数(from_dm_3)赋给data2_1 rs1_id_ex_hazard=1：将EX阶段ALU计算出的结果(from_alu_2)赋给data1_1 rs2_id_ex_hazard=1：将EX阶段ALU计算出的结果(from_alu_2)赋给data2_1 rs1_id_mem_hazard=1：将MEM阶段ALU计算出的结果(from_alu_3)赋给data1_1 rs2_id_mem_hazard=1：将MEM阶段ALU计算出的结果(from_alu_3)赋给data2_1 rs1_id_wb_hazard=1：将WB阶段ALU计算出的结果(from_alu_4)赋给data1_1 rs2_id_wb_hazard=1：将WB阶段ALU计算出的结果(from_alu_4)赋给data2_1   next_pc的赋值采用组合逻辑，当EX阶段传来的pcSel_2为0时表示跳转，被赋为EX阶段计算出来的地址from_alu_2；当pcSel_2为1时表示不跳转，被赋为pc4（恒为pc+4）。复位信号rst无效一个时钟周期后的时钟上升沿信号rst_p无效。current_pc的赋值采用时序逻辑，在每个时钟上升沿，当rst_p有效时，被赋值为0；其它当停顿检测逻辑传来的信号有效，即stop=1时，保持；其他情况默认赋值为next_pc。以实现pc的更新。   控制信号的赋值均采用组合逻辑。 》regWEn：当指令为S型指令或B型指令时，不写寄存器，regWEn设为0，否则设为1。 》immSel：根据opcode判断指令类型选择如何对立即数进行扩展。当指令为I型指令、LW指令、jalr指令时，immSel设为`I_SEXT；当指令为S型指令时，immSel设为`S_SEXT ；当指令为B型指令时，immSel设为`B_SEXT；当指令为U型指令时，immSel设为`U_SEXT；当指令为J型指令时，immSel设为`J_SEXT；其余情况默认immSel设为3’b111。 》brOp：当指令类型为B型指令时，比较器做何比较由funct3决定，直接将brOp设为funct3；其余情况默认brOp设为3’b111。 》aSel：根据指令类型判断ALU第一个操作数。当指令类型为B型指令或J型指令时， aSel设为0；否则aSel设为1。 》bSel：根据指令类型判断ALU第二个操作数。当指令类型为R型指令时， bSel设为0；否则bSel设为1。 》aluSel：当指令类型为R型指令时，根据funct3和funct7判断计算器进行的操作类型，分别将aluSel设为`SUB、`ADD、`AND、`OR、`XOR、`SLL、`SRL、`SRA，其它情况默认为`NOOP；当指令类型为I型指令时，根据funct3和funct7判断计算器进行的操作类型，分别将aluSel设为`ADD、`AND、`OR、`XOR、`SLL、`SRL、`SRA，其它情况默认为`NOOP；当指令为LW指令、jalr指令、S型指令、B型指令、J型指令时，aluSel设为`ADD；当指令为U型指令时，aluSel设为`LUI；其余情况默认aluSel设为`NOOP。 》memRW：根据指令类型判断读写内存。当指令类型为S型指令时需要写内存，memRW设为1；其余情况默认不写内存，设为0。 》wbSel：根据指令类型选择写回寄存器的内容。当指令类型为J型指令、jalr指令时， wbSel设为`PC4；当指令为LW指令时， wbSel设为`FROM_DM；其余情况默认wbSel设为`FROM_ALU。 》rr1：根据指令类型判断是否需要读取寄存器reg1中的内容。当指令为R型指令、I型指令、LW型指令、jalr指令、S型指令、B型指令时，rr1设为1；当指令为U型指令、J型指令时，rr1设为0；其他情况默认设为0。 》rr2：根据指令类型判断是否需要读取寄存器reg2中的内容。当指令为R型指令、S型指令、B型指令时，rr2设为1；当指令为I型指令、LW型指令、jalr指令、U型指令、J型指令时，rr2设为0；其他情况默认设为0。   所有输出信号的更新均采用时序逻辑，在时钟上升沿来临时： 当复位信号有效，即rst=1时，或要清空流水级，即flush（EX阶段得到的pcSel）=0时，要将相应的寄存器清零，useful_1设为’b0；pc_1设为32'b0；reg1设为5'b0；reg2设为5'b0；wreg_1设为5'b0；imm设为25'b0；opcode_1设为7'b0；regWEn_1设为1；immSel_1设为'b111；brOp_1设为'b111；aSel_1设为1；bSel_1设为1；aluSel_1设为`NOOP；memRW_1设为0；wbSel_1设为`FROM_ALU；rr1_1设为0；rr2_1设为0。 当来自停顿判断逻辑的停顿信号有效，即stop=1时，所有输出信号保持。 其它情况默认，useful_1设为’b1；pc_1设为pc；reg1设为instruction[19:15]；reg2设为instruction[24:20]；wreg_1设为instruction[11:7]；imm设为instruction[31:7]；opcode_1设为instruction[6:0]；regWEn_1设为regWEn；immSel_1设为immSel；brOp_1设为brOp；aSel_1设为aSel；bSel_1设为bSel；aluSel_1设为aluSel；memRW_1设为memRW；wbSel_1设为wbSel；rr1_1设为rr1；rr2_1设为rr2。   读寄存器采用组合逻辑，若rR1不是0号寄存器，将其中存储的内容赋给rD1，否则将rD1设为0；若rR2不是0号寄存器，将其中存储的内容赋给rD2，否则将rD2设为0。 写寄存器采用时序逻辑，每个时钟上升沿来临时，0号寄存器reg_array[0]恒设为0，复位信号有效时，所有寄存器设为0。不复位时，若写寄存器堆信号有效，即wE为1时，且目标寄存器不是0号寄存器，则将reg_array[wR]设为wD。   根据控制信号对25位的数imm进行相应立即数扩展为32位的sext_imm_1。当immSel_1为`I_SEXT时，进行I型立即数扩展；当immSel_1为`S_SEXT 时，进行S型立即数扩展；当immSel_1为`B_SEXT，进行B型立即数扩展；当immSel_1为`U_SEXT 时，进行U型立即数扩展；当immSel_1为`J_SEXT 时，进行J型立即数扩展；其余情况默认设置sext_imm_1为0。（与单周期设计相同）   所有输出信号的更新均采用时序逻辑，在时钟上升沿来临时： 当复位信号有效，即rst=1时，或要清空流水级，即flush（EX阶段得到的pcSel）=0时，要将相应的寄存器清零，useful_2设为’b0；pc_2设为32'b0； wreg_2设为5'b0；sext_imm_2设为32'b0；data1_2设为32'b0；data2_2设为32'b0；opcode_2设为7'b0；regWEn_2设为0；brOp_2设为'b111；aSel_2设为1；bSel_2设为1；aluSel_2设为`NOOP；memRW_2设为0；wbSel_2设为`FROM_ALU。 当来自停顿判断逻辑的停顿信号有效，即stop=1时，useful_2设为’b0；pc_2设为pc_1； wreg_2设为wreg_1；sext_imm_2设为sext_imm_1；data1_2设为data1_1；data2_2设为data2_1；opcode_2设为opcode_1；regWEn_2设为0；brOp_2设为brOp_1；aSel_2设为aSel_1；bSel_2设为bSel_1；aluSel_2设为aluSel_1；memRW_2设为0；wbSel_2设为wbSel_1。 其余情况默认将useful_2设为useful_1；pc_2设为pc_1； wreg_2设为wreg_1；sext_imm_2设为sext_imm_1；data1_2设为data1_1；data2_2设为data2_1；opcode_2设为opcode_1；regWEn_2设为regWEn_1；brOp_2设为brOp_1；aSel_2设为aSel_1；bSel_2设为bSel_1；aluSel_2设为aluSel_1；memRW_2设为memRW_1；wbSel_2设为wbSel_1。   brOp_2为`BEQ时，data1_2==data2_2则将brAns设为0，否则为1；为`BNE时，与`BEQ 相反；为`BLT时，data1_2 同时根据EX阶段所执行的指令类型，即opcode_2判断pcSel，当指令为R型指令、I型指令、LW指令、S型指令、U型指令时，指令不跳转，pcSel_2设为1；当指令为B型指令时，由比较结果判断指令跳转与否，pcSel_2设为brAns；当指令为J型指令或jalr指令，指令跳转，pcSel_2设为0；其余情况默认指令不跳转，pcSel_2设为1。   运算器采用组合逻辑。 aSel为0时，ALU第一个操作数a选择pc，为1时选择reg1存储的数。bSel为0时，ALU第二个操作数b选择reg2存储的数，为1时选择扩展后的立即数。当aluSel为`ADD时，ALU对两操作数进行加法操作（result=a+b）；当为`SUB时，做减法操作（result=a-b）；当为`AND时，做与操作（result=a&b）；当为`OR时，做或操作（result=a|b）；当为`XOR时，做异或操作（result=a^b）；当为`SLL时，做左移操作（result=a<>b[4:0]）；当为`SRA时，做算数右移操作（result=($signed(a))>>>b[4:0]）；当为`LUI时，直接将b赋值给result（result=b）；其他情况默认将result直接赋值为0。（与单周期设计相同）   所有输出信号的更新均采用时序逻辑，在时钟上升沿来临时： 当复位信号有效，即rst=1时，useful_3设为’b0；pc_3设为32'b0；from_alu_3设为32’b0；wreg_3设为5'b0；data2_3设为32'b0；opcode_3设为7'b0；regWEn_3设为0；memRW_3设为0；wbSel_3设为`FROM_ALU。 其余情况默认将useful_3设为useful_2；pc_3设为pc_2；from_alu_3设为from_alu_2；wreg_3设为wreg_2；data2_3设为data2_2；opcode_3设为opcode_2；regWEn_3设为regWEn_2；memRW_3设为memRW_2；wbSel_3设为wbSel_2。   所有输出信号的更新均采用时序逻辑，在时钟上升沿来临时： 当复位信号有效，即rst=1时，useful_4设为’b0；pc_4设为32'b0；from_alu_4设为32’b0；from_dm_4设为32’b0；wreg_4设为5'b0；regWEn_4设为0； wbSel_4设为`FROM_ALU。 其余情况默认将useful_4设为useful_3；pc_4设为pc_3；from_alu_4设为from_alu_3；from_dm_4设为from_dm_3；wreg_4设为wreg_3；regWEn_4设为regWEn_3；wbSel_4设为wbSel_3。   寄存器堆写回值dataW的赋值采用组合逻辑。当wbSel=`PC4时，选择pc+4；当wbSel=`FROM_ALU时，选择ALU的计算结果；当wbSel=`FROM_DM时，选择从DM中取出的结果。（与单周期设计相同）   数码管显示逻辑。Top模块获取数码管所需显示的数字data和进行时钟分频得到时钟信号clk_1khz，传入shumaguan模块，由shumaguan模块计算出每个分频后时钟周期显示的数字num和数码管使能信号。（与单周期设计相同）

2.4 流水线CPU仿真及结果分析

要求：包含控制冒险和数据冒险三种情形的仿真截图，以及波形分析。若仅实现了理想流水，则此处贴上理想流水的仿真截图及详细的波形分析。

控制冒险： 0:     0040006f                jal   x0,4 4:     02500413               addi        x8,x0,37 我采用静态预测解决控制冒险，总是预测跳转。图中当第一条指令到达EX阶段(pc_2=0x0)时，得知下条指令该跳转(pcSel=0)，跳转目的地址为from_alu_2=0x4，预测错误，一个时钟周期后，pc=0x4，清空IF/ID流水级(pc_1=0)、ID/EX流水级(pc_2=0)，ID、EX阶段的指令设为无效(useful_1=0、useful_2=0)。在经过四个时钟周期后，第二条指令执行完成，又一个时钟周期后将其计算结果0x25写入寄存器reg8。   RAW情形A： 4:     02500413               addi        x8,x0,37 8:     01841413               slli  x8,x8,0x18 我采用前递解决该数据冒险。当第一条指令进入EX阶段、第二条指令在ID阶段时，检测到RAW情形A(rs1_id_ex_hazard=1)，于是采用组合逻辑直接将EX阶段ALU计算结果from_alu_2前递给data1_1，在下一个时钟周期直接作为ALU的第一个操作数，以保证第二条指令计算结果的正确。故又过三个时钟周期后将两条指令正确执行所得结果0x25000000写回寄存器reg8。   8:     01841413               slli  x8,x8,0x18 c:     fffff0b7             lui   x1,0xfffff 10:  0080a023               sw   x8,0(x1) # fffff000 <_end+0xffffaf90> RAW情形B： 我采用前递解决该数据冒险。当第一条指令进入MEM阶段、第三条指令在ID阶段时，检测到RAW情形B(rs2_id_mem_hazard=1) ，于是采用组合逻辑直接将MEM阶段ALU计算结果from_alu_3前递给data2_1，在下一个时钟周期直接作为ALU的第二个操作数，以保证第三条指令计算结果的正确。故又过两个时钟周期后将要写入内存中的正确内容data2_3=0x25000000写入内存地址from_alu_3=0xfffff000。   298:        00208733               add x14,x1,x2 29c:        00000393               addi        x7,x0,0 2a0:        06600193               addi        x3,x0,102 2a4:        fc7716e3                 bne x14,x7,270 RAW情形C： 我采用前递解决该数据冒险。当第一条指令进入WB阶段、第四条指令在ID阶段时，检测到RAW情形C(rs1_id_wb_hazard=1) ，于是采用组合逻辑直接将WB阶段ALU计算结果from_alu_4前递给data1_1，在下一个时钟周期直接作为BranchComp的第一个操作数，以保证第四条指令比较结果的正确。故一个时钟周期后，BranchComp中两操作数data1=data2，指令不跳转(pcSel=1)。

3 设计过程中遇到的问题及解决方法

要求：包括设计过程中遇到的有价值的错误，或测试过程中遇到的有价值的问题。所谓有价值，指的是解决该错误或问题后，能够学到新的知识和技巧，或加深对已有知识的理解和运用。

在比较器BranchComp中进行有符号数的比较时，直接用“>”、“≤”判断时，默认进行的是无符号数的判断，改正后应该考虑分为两操作数同号和异号两种情况。 对于时序逻辑电路，输出信号相比时钟有效边沿存在一定的输出延时，在单周期CPU设计时，若寄存器堆的读取采用组合逻辑，可能读取到pc还未来得及更新时的错误值，上板验证后发现结果也确实不正确，且存在电路不稳定的现象，改正后采取在时钟的上升沿更新pc，在时钟的下降沿读取寄存器堆RF。而在流水线CPU设计时，各个阶段总在执行不同的指令，为保证指令获得正确的执行结果，寄存器堆的读取操作应改成组合逻辑。 运算器中对操作数a进行移位操作时，最多移动31位，故仅取操作数b的低5位作为移位位数shamt。考虑到算数右移有符号数的情况，代码应写成“result=($signed(a))>>>b[4:0]”。 对于获取外设显示数据，相当于S型指令，设计单周期cpu时，采用组合逻辑，而设计流水线cpu时，应采用时序逻辑。而读取拨码开关，相当于LW指令，单周期cpu和流水线cpu均采用组合逻辑。 复位信号rst为特殊信号，在if-else等条件判断语句中应单独列为一种情形，与其它条件分开，比如我原先写的if(rst | !flush)…应写成if(rst)…else if(!flush)… 针对数码管显示全0但仿真波形无误，我所遇到的原因和解决方法：单周期时时钟分频有误，应根据时钟IP核传入的clk时钟频率25MHZ，经分频后数码管刷新频率2ms刷新一次来进行分频。流水线时原采用组合逻辑获取数码管要显示的数字，导致时许有误，应采用和CPU相同时钟的时序逻辑，在每个clk_i的上升沿写数码管和led。 在流水线CPU设计中，含有多个时序部件，尽量都采用同一个时钟沿。我原先流水级采用下降沿，跟新pc、读寄存器堆、写内存等采用上升沿，仿真比较难看，但也算成功反应理想情况下结果正确，但板子可能就会反应不过来，这也可能是我数码管显示全零的原因之一。 流水线CPU设计过程中，采用无脑停顿虽说比前递好想，但前者会降低cpu整体效率，而且实际上后者的代码并不比前者的复杂。

（流水线比单周期复杂很多有木有？菜鸡参考《计算机组成原理》课程画的） 代码链接自取

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