RISCV五级流水CPU设计

最新更新：扩展说明包请见一个简单的 RISC-V CPU 设计与实现

代码

所有代码已上传至我的github，欢迎访问。
代码仍在施工中。

流水线设计

寄存器	取指	译码	执行	访存	回写
pc_reg	↗	→	↘
inst_reg	↗	↘
rd_addr_reg		↗	→	→	↘
rs1_addr_reg		↗	↘
rs2_addr_reg		↗	↘
rs1_reg		↗	↘
rs2_reg		↗	→	↘
imm_reg		↗	↘
alu_reg			↗	↗→	↘

信号	取指	译码	执行	访存	回写
alu_op		↗	↘
s_pc		↗	↘
s_imm		↗	↘
s_jalr		↗	↘
s_branch		↗	↘
s_branch_zero		↗	↘
s_csr		↗	↘
s_csri		↗	↘
s_csrsc		↗	↘
s_jump		↗	↘
s_store		↗	→	↘
s_load		↗	→	↘
funct3		↗	→	↘

取指

取指阶段的任务包括PC更新和指令取得。向下一级传递的内容如下：

寄存器	说明
pc_reg	程序计数器
inst_reg	指令寄存器

译码

译码阶段的任务包括指令解码和寄存器访问。向下一级传递的内容如下：

寄存器	说明
pc_reg	程序计数器
rd_addr_reg	rd寄存器地址
rs1_addr_reg	rs1寄存器地址(用于csr指令及转发判断)
rs2_addr_reg	rs2寄存器地址(用于转发判断)
rs1_reg	rs1寄存器
rs2_reg	rs2寄存器
imm_reg	立即数寄存器
ctrl_reg	控制信号寄存器
控制信号如下：
信号	说明
--------	-----
alu_op	alu操作(4bits)
s_pc	程序计数器选通
s_imm	立即数选通
s_jalr	解码出jarl指令
s_branch	解码出branch指令
s_branch_zero	解码出branch指令且分支条件为0
s_csr	解码出csr指令
s_csri	解码出csri指令
s_csrsc	解码出csr[s|c]指令
s_jump	解码出jump指令
s_store	解码出store指令
s_load	解码出load指令
funct3	用于区分load指令子类别

执行

执行阶段进行alu操作，地址生成和csr更新。向下一级传递的内容如下：

寄存器	说明
rd_addr_reg	rd寄存器地址
rs2_reg	rs2寄存器(存放store数据)
alu_reg	执行结果寄存器
ctrl_reg	控制信号寄存器
控制信号如下：
信号	说明
--------	-----
s_store	执行store指令
s_load	执行load指令
funct3	用于区分load指令子类别

ALU

rs1端口输入如下

信号	rs1
ex_csri	rs1寄存器地址(用于csr指令)
ex_s_pc	程序计数器

• | 来自转发部件

rs2端口输入如下

信号	rs2
ex_csr	csr寄存器输出
ex_s_imm	立即数寄存器

• | 来自转发部件

操作码定义如下

操作码	功能
ALU_ADD	加法
ALU_SUB	减法
ALU_CMP	有符号比较(rs1 < rs2 则置1)
ALU_UCMP	无符号比较(rs1 < rs2 则置1)
ALU_AND	按位与
ALU_OR	按位或
ALU_XOR	按位异或
ALU_SLL	逻辑左移
ALU_SRL	逻辑右移
ALU_SRA	算数右移

若打开乘除法模块，还会额外支持如下操作码

操作码	功能
ALU_MUL	带符号乘法，返回低位
ALU_MULH	带符号乘法，返回高位
ALU_MULHSU	带符号乘以无符号，返回高位
ALU_MULHU	无符号乘法，返回高位
ALU_DIV	带符号除法
ALU_DIVU	无符号除法
ALU_REM	带符号取余
ALU_REMU	无符号取余

地址生成

地址生成的逻辑如下

指令	npc(用于pc更新)	next_pc(用于回写)
JAL	alu输出	pc + 4
JALR	alu输出，清除最低位	pc + 4
BRANCH(跳转)	pc + imm	-
BRANCH(未跳转)	pc + 4	-

访存

访存阶段进行内存读写。向下一级传递的内容如下：

寄存器	说明
rd_reg	rd寄存器地址
alu_reg	执行结果(内存数据)寄存器

回写

回写阶段进行寄存器回写。

转发部件

从访存阶段转发，蓝色为转发通道

从回写阶段转发

转发部件确定执行阶段需要用到的寄存器来源，它可能将访存或回写阶段的结果转发至执行阶段。
若两者皆可用，优先转发访存阶段的结果。

从寄存器读写端口转发

冒险检测

load时产生冒险，黄色为气泡，灰色为暂停。

分支/跳转时产生冒险

用于检测流水线是否出现冒险情况，如果是，则暂停流水线和(或)插入气泡。具体信号如下

阶段/类型	Load冒险	分支/跳转冒险
PC	暂停	-
IF_ID	暂停	气泡
ID_EX	气泡	气泡

Cache

Cache代码正在施工中。