实现该32位CPU为哈尔滨工业大学(深圳)大二小学期的实验,基于RISC-V的指令集架构和Xilinx开发板( XC7A100T-1FGG484C)开发的FPGA处理器。
该CPU将会实现37条基础指令,包括 算术运算指令、逻辑运算指令、移位运算指令、载入指令、存储指令、条件跳转指令、无条件跳转指令、比较指令。同时采用统一编址的方式实现与外设的连接和交互。
实现的指令:
指令类型 | 指令 |
---|---|
算术运算指令 | add, addi, sub, lui, auipc |
逻辑运算指令 | and, andi, or, ori, xor, xori |
移位运算指令 | sll, slli, srl, srli, sra, srai |
载入&存储指令 | lw, sw, lb, lbu, lh, lhu, sb, sh |
跳转指令 | beq, bne, blt, bge, bltu, bgeu |
无条件跳转指令 | jal, jalr |
比较指令 | slt, slti, sltu, sltiu |
该专栏将分为 单周期CPU 和 流水线CPU 的实现,同时探索超标量CPU 的简单实现。在实现后通过学校的测试程序并运行自己写的简单的计算器程序。
需要具备的知识:
数字逻辑电路基础
计算机组成原理
RISC-V 汇编
Verilog 开发
工具
RARS模拟器1.4
WSL2 + Ubuntu22.04
VSCode和一系列插件
VIVADO 2018.3
Logisim
参考书目:
《计算机组成与设计(硬件/软件接口)第五版》
《计算机组成原理 第三版》(唐朔飞著)
《超标量处理器设计》(姚永斌著)
学校的实验指导书
从拨码开关输入操作类型和操作数(8位),判断操作类型并实现加法、减法、按位与、按位或、左移、右移、乘法的计算,输出结果(32位)到数码管LED
拨码开关(24位)输入数据的结构如下:
操作数 | NOP | NUM1 | NUM2 |
---|---|---|---|
23---21 | 20---16 | 15---8 | 7---0 |
对于测试的电路,学校是给了个Logisim模拟电路的,这里涉及版权就不放出了。但是通过RARS模拟器通过改变输入操作数也能够达到测试的效果。
注意:
由于需要将该代码写入CPU进行执行,需要确保该代码只用到要实现的指令,不然可能判断出错或者没有效果。
由于写的是 32 位 CPU,新版的 RARS 会有 64 位的选项,可以在 Settings 选项卡中关闭
对于 .data
段定义的数据地址可以在 Settings -> Memory Configuration
中找到和更改,这里 .data
的数据从 0x00002000
开始
.data # 测试用数据,在这里写入测试用的拨码开关操作数 switch: .word 0x00E003FE .text # 寄存器含义 # s3 : switch # s1 : num1 # s2 : num2 # s0 : ope # a0 : res INIT: addi t2, zero, -0x080 # t2 = 0xFFFFF80 符号扩展用 # Release,上板的时候将下面代码取消注释 lui t1, 0xFFFFF lw s3, 0x70(t1) # read switch # Debug, 测试的时候将下面代码取消注释 # lui s3, 0x00002 # lw s3, 0x0(s3) # 译码操作 addi t1, zero, 0x80 NUM2: andi s2, s3, 0x0FF blt s2, t1, NUM1 or s2, s2, t2 # 符号扩展 NUM1: srli s1, s3, 8 andi s1, s1, 0x0FF blt s1, t1, OPE or s1, s1, t2 # 符号扩展 OPE: srli s0, s3, 21 andi s0, s0, 0x007 # Initialize res register addi a0, zero, 0 # 选择操作 SWITCH: # Choose operation addi t0, zero, 0 beq s0, t0, INIT addi t0, t0, 1 beq s0, t0, ADD addi t0, t0, 1 beq s0, t0, SUB addi t0, t0, 1 beq s0, t0, AND addi t0, t0, 1 beq s0, t0, OR addi t0, t0, 1 beq s0, t0, MV_LEFT addi t0, t0, 1 beq s0, t0, MV_RIGHT addi t0, t0, 1 beq s0, t0, MUL jal x0, INIT # Default # 加法运算 ADD: add a0, s1, s2 jal x0, EXIT # 减法运算 SUB: sub a0, s1, s2 jal x0, EXIT # 按位与运算 AND: and a0, s1, s2 jal x0, EXIT # 按位或运算 OR: or a0, s1, s2 jal x0, EXIT # 逻辑左移 MV_LEFT: sll a0, s1, s2 jal x0, EXIT # 逻辑右移 MV_RIGHT: sra a0, s1, s2 jal x0, EXIT # 补码一位乘(反向)实现 MUL: addi t0, zero, 30 # 负数单独处理 bge s2, zero, MUL_LOOP sub a0, a0, s1 MUL_LOOP: slli a0, a0, 1 # 判断是否加上 num1 sra t1, s2, t0 andi t1, t1, 1 beq t1, zero, MUL_NOP add a0, a0, s1 MUL_NOP: addi t0, t0, -1 bge t0, zero, MUL_LOOP # 最后处理 MUL_END: jal x0, EXIT # 退出处理(循环) EXIT: lui t1, 0xFFFFF sw a0, 0x60(t1) # 写 LED 灯,只需一次 END_KEEP: sw a0, 0x00(t1) # 写数码管,需要稳定刷新 lw t0, 0x70(t1) # 监视指令变更 beq s3, t0, END_KEEP jal x0, INIT