HITSZ 2023夏季学期基于miniRV 指令集的单周期和五级流水线CPU开发
│ data_ram.coe --- 提供的ram数据
│ inst_rom.coe --- 提供的rom指令（用于trace仿真）
│ lab1.asm --- 实验一写的计算器汇编
│
├───proj_pipeline --- 五级流水线文件
│ │ proj_pipeline.rar
│ │
│ └───proj_pipeline
│ │ data_ram.coe
│ │ program.coe --- 实现多种计算功能的16进制汇编（用于上板）
│ │ proj_pipeline.xpr --- vivado，启动！
│ │
│ ├───proj_pipeline.sim
│ └───proj_pipeline.srcs
│ ├───constrs_1 --- 引脚xdc文件
│ │ └───new
│ │ miniRV_clock.xdc
│ │ miniRV_SoC.xdc
│ │
│ ├───sim_1 --- 上板仿真
│ │ └───new
│ │ miniRV_sim.v
│ │
│ └───sources_1
│ └───new --- 源代码
│ ALU.v
│ ALUA_SEL.v
│ ALUB_SEL.v
│ Bridge.v
│ BUTTON.v
│ CONTROLLER.v
│ defines.vh
│ DIGITAL_LED.v
│ EX_MEM.v
│ HAZARD_CONTROLLER.v --- 冒险控制器
│ ID_EX.v
│ IF_ID.v
│ LED.v
│ MEM_WB.v
│ miniRV_SoC.v
│ myCPU.v
│ NPC.v
│ PC.v
│ RAM_SEL.v
│ RF.V
│ RF_WSEL.v
│ SEXT.v
│ SWITCH.v
│
└───proj_single_cycle --- 单周期
│ miniRV_sim_behav.wcfg
│ program.coe
│ proj_single_cycle.xpr
│
├───.Xil
│
└───proj_single_cycle.srcs
├───constrs_1
│ └───new
│ miniRV_clock.xdc
│ miniRV_SoC.xdc
│
├───sim_1
│ └───new
│ cpuclk_sim.v
│ miniRV_sim.v
│
└───sources_1
├───ip
└───new
ALU.v
ALUB_SEL.v
Bridge.v
BUTTON.v
CONTROLLER.v
defines.vh
DIGITAL_LED.v
LED.v
miniRV_SoC.v
myCPU.v
NPC.v
PC.v
RF.V
RF_WSEL.v
SEXT.v
SWITCH.v
本项目实现了and, addi, add, srl, sw, sra, lui, sll, xori, beq, lw, srai, ori, bne, bge, jal, or, jalr, srli, andi, slli, sub, blt, xor（一共24条指令）
单周期CPU频率为25MHZ（没有进一步测量）
流水线CPU频率为75MHZ
- 本项目通过提前计算和前递的方式解决了数据冒险
- 本项目通过清空寄存器和前递结合的方式解决了load-use冒险和控制冒险
- 在解决控制冒险的过程中，采用了静态分支预测的方法
NPC: 此模块的功能是根据当前指令选取下一条指令（next PC）的地址
PC: PC模块的作用是在时钟信号的控制下像IROM发送当前指令的地址用于取指
IROM：接收来自PC的指令地址pc信号，给出具体32位指令inst
SEXT: 根据CONTROLLER传输来的opcode和riscv指令中的“立即数字段”生成对应的立即数
CONTROLLER:得益于riscv固定的指令字段，将32位指令inst拆解传入CONTROLLER之中可以得出当前指令的各项操作是否发生，并将各标志位传出
rf_wsel:四路选择器，接收来自NPC的pc4，来自SEXT的ext，来自ALU的aluc，来自DRAM的rdo信号，再根据来自Controller的rf_wsel信号选择将哪个数据写回寄存器堆RF
RF：内有32个32位的寄存器组成的寄存器堆，接收inst[19:15]作为rR1，接收inst[24:20]作为rR2，接收inst[11:7]作为wR，根据rR1，rR2给出相应寄存器，可以处理写入寄存器操作或者读出操作
alub_sel: 二路选择器，接收来自RF的rD2和来自SEXT的ext信号，再根据来自CONTROLLER的alub_sel信号选择将哪个数据传入ALU中
ALU: 计算单元，根据从Controller传入的ALU_op操作信号对传入的A、B两个数据信号进行对应的计算操作（如加、减），输出计算结果以及标志位
DRAM：接收地址addr，使能信号wen，写入的数据wdata，根据addr读出数据并以rdata输出，当wen有效时，将wdata写入到存储器中地址为addr处
PC
节选核心代码：
always @(posedge cpu_clk or posedge rst) begin
if (rst == `RESET_EN) begin
pc <= 32'h0000_0000;
end
else if (flag >= 2'b01) begin
pc <= din;
end
endNPC
节选核心代码：
always @(*) begin
if (br == `NPC_BR_DEFAULT) begin
npc = pc;
end
else if (br == `NPC_BR_KEEP) begin
npc = pc + 4;
end
else if (br == `NPC_BR_JUMP) begin
if (op == `NPC_OP_OFFSET) begin
npc = pc + offset;
end
else if (op == `NPC_OP_JALR) begin
npc = jalr_pc;
end
end
end
SEXT
节选核心代码：
always @(*) begin
case (op)
`SEXT_OP_R: begin ext = 32'b0; end
*//`SEXT_OP_I: begin ext = {{20{din[31]}}, din[31:20]}; end*
`SEXT_OP_I: begin ext = $signed({din[31], din[31:20]}); end
`SEXT_OP_S: begin ext = {{20{din[31]}}, din[31:25], din[11:7]}; end
`SEXT_OP_B: begin ext = $signed({din[31], din[7], din[30:25], din[11:8], 1'b0}); end
`SEXT_OP_U: begin ext = {din[31:12], 12'b0}; end
`SEXT_OP_J: begin ext = {{11{din[31]}}, din[19:12], din[20], din[30:21], 1'b0}; end
endcase
endCONTROLLER
节选核心代码：
该节选代码实现了对R型指令的译码操作
RF
节选核心代码：
时序写入，组合读出
always @(*) begin
if(rst == 1'b1) begin
rD1 = 32'b0;
rD2 = 32'b0;
end
rD1 = reg_heap[rR1];
rD2 = reg_heap[rR2];
end
always @(posedge cpu_clk ) begin
if ((wE == `RF_WE) && (wR != 32'b0)) begin
reg_heap[wR] <= wD;
end
endALU
节选核心代码：
ALUB_SEL
节选核心代码：
实现了一个三路选择器
always @(*) begin
case(alub_sel)
`ALUB_SEL_DEFAULT: begin alub = 32'b0; end
`ALUB_SEL_RD2: begin alub = rD2; end
`ALUB_SEL_EXT: begin alub = ext; end
endcase
endRF_WSEL
节选核心代码：
实现了一个五路选择器
always @(*) begin
case (rf_wsel)
`RF_WSEL_DEFAULT: begin wD = 32'b0; end
`RF_WSEL_PC4: begin wD = pc4; end
`RF_WSEL_EXT: begin wD = ext; end
`RF_WSEL_ALUC: begin wD = aluc; end
`RF_WSEL_RDO: begin wD = rdo; end
endcase
end逻辑运算：
or.dump:
14: 0020e733 or x14,x1,x2
在260ps时，pc=0x14，此时系统中进行对or指令的运算。首先经过pc寻址，pc对应的inst被传入CONTROLLER中进行译码，此时可以看到alu_op的值为4，即对应的宏定义“ALU_OP_OR”，说明ALU进行的是or操作。再看此时寄存器堆RF中，读寄存器rR1，rR2分别为对应的0x01和0x02，与汇编相符，从中读出的数据分别为0xFF00FF00，0x0F0F0F0F。此时alub_sel的值为0x01，对应的宏定义为“ALUB_SEL_RD2”，说明传入ALU_B的数据就是rD2，传入ALU_A的数据就是rD1，根据波形可知，此时A、B信号确实符合上述描述，传入ALU的数据正确。进行or操作后，ALU输出C为0XFF0FFF0F，计算正确。此时再看写回，wR与汇编一致皆为0x0E，rf_wsel=0x011，即对应宏定义的“RF_WSEL_ALUC”，将ALUC传入wR中，此时wD也与ALUC一致，运算正确。
分支跳转：
beq.dump：
8: 00000093 addi x1,x0,0
c: 00000113 addi x2,x0,0
10: 00208663 beq x1,x2,1c <reset_vector+0x18>
观察波形可知，在230ps，pc=0x08时，计算得x1=0；在240ps，pc=0x0c时，计算得x2=0。再观察250ps，此时pc=0x10，正在进行beq指令。注意SEXT部件生成的立即数ext=0x0c。此时RF寄存器堆内x1，x2都为0。CONTROLLER译码传出的alu_op=0x09，对应的宏定义为”ALU_OP_BEQ”，ALU部件中根据以下代码逻辑进行beq操作：
此时再看输入ALU的参数A和B，都为0，显然二者相等，得到跳转标志位br=0x10，即宏定义”NPC_BR_JUMP”，下一条指令需要跳转。看向NPC部件内部信号，收到跳转指令之后，又因为当前指令的跳转模式是偏移量跳转，在接收到来自SEXT部件的立即数ext之后，计算出下一条分支跳转指令地址npc=pc+offset=0x10+0x0c=0x1c，与波形中npc一致，运算正确。
访存：
lw.dump:
4: 000020b7 lui x1,0x2
8: 00008093 addi x1,x1,0 # 2000 <begin_signature>
c: 0000a703 lw x14,0(x1)
在240ps时，此时pc=0x0c，正在处理lw操作。先看SEXT部件生成的立即数ext=0x00，与汇编相同。再看寄存器堆中的x1=0x0200。此时ALU部件的A输入为x1即0x0200，B输入为ext即0x00，来自controller部件的alu_op为0x01，即对应宏定义”ALU_OP_ADD”，ALU部件进行add操作，得到结果C=0x0200。传入DRAM部件之后写回，此时寄存器堆的wD为0x00FF00FF，写回寄存器wR为0x0E对应汇编中的x14，写回使能信号wE有效，故lw操作正确。
NPC: 此模块的功能是根据当前指令选取下一条指令（next PC）的地址
PC: PC模块的作用是在时钟信号的控制下像IROM发送当前指令的地址用于取指
IROM：接收来自PC的指令地址pc信号，给出具体32位指令inst
SEXT: 根据CONTROLLER传输来的opcode和riscv指令中的“立即数字段”生成对应的立即数
CONTROLLER:得益于riscv固定的指令字段，将32位指令inst拆解传入CONTROLLER之中可以得出当前指令的各项操作是否发生，并将各标志位传出
rf_wsel:四路选择器，接收来自NPC的pc4，来自SEXT的ext，来自ALU的aluc，来自DRAM的rdo信号，再根据来自Controller的rf_wsel信号选择将哪个数据写回寄存器堆RF
RF：内有32个32位的寄存器组成的寄存器堆，接收inst[19:15]作为rR1，接收inst[24:20]作为rR2，接收inst[11:7]作为wR，根据rR1，rR2给出相应寄存器，可以处理写入寄存器操作或者读出操作
alua_sel：四路选择器，接收来自RF的rD1、来自wb阶段的rdo等信号，再根据来自HAZARD_CONTROLLER的load_use_flag等控制信号判断是否发生冒险以及选择将哪个数据传入ALU的A数据中
alub_sel: 五路选择器，接收来自RF的rD2、来自SEXT的ext、来自wb阶段的rdo等信号，再根据来自CONTROLLER的alub_sel和来自HAZARD_CONTROLLER的load_use_flag等控制信号判断是否发生冒险以及选择将哪个数据传入ALU的B数据中
ALU: 计算单元，根据从Controller传入的ALU_op操作信号对传入的A、B两个数据信号进行对应的计算操作（如加、减），输出计算结果以及标志位
DRAM：接收地址addr，使能信号wen，写入的数据wdata，根据addr读出数据并以rdata输出，当wen有效时，将wdata写入到存储器中地址为addr处
HAZARD_CONTROLLER：通过对于整个流水线中各项数据的检测，实时检测是否发生数据冒险以及load_use冒险，当冒险发生时，输出控制位信号使得流水线中其他部件能够处理冒险
RAM_SEL：三路选择器，接收来自EX/MEM寄存器的mem_c、来自ID/EX的ex_rD2、来自MEM/WB的wb_c数据信号和来自HAZARD_CONTROLLER的forward_ram信号，选择将一个信号传入DRAM模块
四个流水线寄存器：IF_ID ID_EX EX_MEM MEM_WB
由上数据通路图可以看出，总流水线被四个“红色长条状”的流水线寄存器拆分为了五个流水级，分别是IF ID EX MEM WB五个阶段
| 流水级名称 | 流水级功能 | 流水级作用 |
|---|---|---|
| IF | 取值 | 获取下一条要执行的指令，主要含有NPC部件、IROM部件和PC部件 |
| ID | 译码 | 将上一时钟周期中IF阶段的取到的指令进行译码，主要含有Controller部件、SEXT部件和RF寄存器堆部件 |
| EX | 计算 | 执行上一时钟周期中ID阶段指令的运算操作，主要运算部件是ALU部件 |
| MEM | 访存 | 将EX阶段计算得到的结果写入DRAM之中，或者从DRAM中取出目标数据 |
| WB | 写回 | 将最终结果写回RF寄存器堆 |
另外，冒险检测与控制模块HAZARD_CONTROLLER是独立于五个流水级的模块，通过对于五个流水级中若干数据的实时监控，可以判断当前指令是否出现冒险情况，并做出对应的反馈机制。
流水线CPU与单周期CPU的主要不同在于：流水线CPU增加了HAZARD_CONTROLLER,RAM_SEL,ALUA_SEL和四个流水线寄存器部件，同时也在原有部件内增加了信号，比如说在alub_sel部件中增加了前递控制信号forward_B等
流水线寄存器的主要功能是按照时序传递流水信号，其内部功能主要是在流水线正常流转时传递不同流水级的数据，当出现冒险时停顿寄存器或者清空寄存器，内部逻辑较为简单，在此不加赘述。以下是流水线寄存器的部分代码截取
module MEM_WB(
input wire clk,
input wire rst,
input wire mem_have_inst_flag,
input wire mem_load_use_flag,
input wire mem_wr_flag ,
input wire mem_rR1_flag,
input wire mem_rR2_flag,
input wire mem_rf_we,
input wire [2:0] mem_rf_wsel,
input wire [4:0] mem_rf_wr,
input wire [6:0] mem_opcode,
input wire [31:0] mem_rdo,
input wire [31:0] mem_c,
input wire [31:0] mem_ext,
input wire [31:0] mem_pc4,
input wire [31:0] mem_pc,
output reg wb_have_inst_flag,
output reg wb_load_use_flag,
output reg wb_wr_flag ,
output reg wb_rR1_flag,
output reg wb_rR2_flag,
output reg wb_rf_we,
output reg [2:0] wb_rf_wsel,
output reg [4:0] wb_rf_wr,
output reg [6:0] wb_opcode,
output reg [31:0] wb_rdo,
output reg [31:0] wb_c,
output reg [31:0] wb_ext,
output reg [31:0] wb_pc4,
output reg [31:0] wb_pc
);
always @(posedge clk or posedge rst) begin
if (rst) begin wb_rdo <= 32'b0; end
else begin wb_rdo <= mem_rdo; end
end
always @(posedge clk or posedge rst) begin
if (rst) begin wb_c <= 32'b0; end
else begin wb_c <= mem_c; end
end
always @(posedge clk or posedge rst) begin
if (rst) begin wb_rf_we <= 1'b0; end
else begin wb_rf_we <= mem_rf_we; end
end
always @(posedge clk or posedge rst) begin
if (rst) begin wb_rf_wsel <= 3'b0; end
else begin wb_rf_wsel <= mem_rf_wsel; end
end
其命名规范主要是“该信号所处的阶段_信号名”
alua_sel
节选核心代码：
以下代码通过判断forwardA的取值实现了应对不同冒险需要的数据前递
always @(*) begin
case (forwardA)
`HAZARD_CONTROLLER_FORWARD_ID_EX : begin alua = ex_rD1; end
`HAZARD_CONTROLLER_FORWARD_EX_MEM : begin alua = mem_c; end
`HAZARD_CONTROLLER_FORWARD_MEM_WB : begin
if (load_use_flag || (wb_opcode == `CONTROLLER_OPCODE_I_LW))
begin alua = wb_rdo; end
else begin alua = wb_c; end
end
defaul: begin alua = 32'b0; end
endcase
endalub_sel
节选核心代码：
以下代码通过判断forwardB的取值实现了应对不同冒险需要的数据前递
always @(*) begin
if (forwardB == `HAZARD_CONTROLLER_FORWARD_ID_EX) begin
case(alub_sel)
`ALUB_SEL_DEFAULT: begin alub = 32'b0; end
`ALUB_SEL_RD2: begin alub = ex_rD2; end
`ALUB_SEL_EXT: begin alub = ext; end
default : begin alub = 32'b0; end
endcase
end
else if (forwardB == `HAZARD_CONTROLLER_FORWARD_EX_MEM)
begin alub = mem_c; end
else if (forwardB == `HAZARD_CONTROLLER_FORWARD_MEM_WB) begin
if (load_use_flag || (wb_opcode == `CONTROLLER_OPCODE_I_LW))
begin alub = wb_rdo; end
else begin alub = wb_c; end
end
else begin alub = 32'b0; end
end
ram_sel
节选核心代码：
以下代码通过判断forward_ram信号的取值实现了应对不同冒险需要的数据前递
always @(*) begin
if (rst) begin wdin = 32'b0; end
else begin
if(forward_ram == 2'b01) begin wdin = mem_c; end
else if (forward_ram == 2'b10) begin wdin = wb_c; end
else begin wdin = ex_rD2; end
end
endNPC
节选核心代码：
以下代码实现了流水线pc的迭代与更新。其中pc4始终等于pc+4；当一个始终上升沿来临时，首先根据跳转标志位br判断是否发生跳转，如果没有pc跳转要求，还需进一步判断是否发生了load_use冒险，如果发生了load_use冒险，需
要停顿一个始终周期，因此有npc=pc；反之如果没有跳转也没有load_use冒险，pc = pc+4。而如果pc需要跳转时，先判断是哪种跳转方式（pc+offset偏移量跳转还是jalr的pc=reg跳转），再对npc赋值。
always @(*) begin
if (br == `NPC_BR_DEFAULT) begin
npc = pc;
end
else if (br == `NPC_BR_KEEP) begin
if (load_use_flag) begin npc = pc; end
else begin npc = pc + 4; end
end
else if (br == `NPC_BR_JUMP) begin
if (op == `NPC_OP_OFFSET) begin
npc = jump_pc + offset;
end
else if (op == `NPC_OP_JALR) begin
npc = jalr_pc;
end
else begin npc = 32'b0; end
end
endHAZARD_CONTOLLER
节选核心代码：
组合逻辑，以下代码通过公式可以判断当前流水线系统中是否发生EX冒险、MEM冒险和load_use冒险，并通过对opcode等标志位的分析，可以明确将哪一个数据前递至正确的位置
解决数据冒险：
- EX冒险和MEM冒险：首先在HAZARD_CONTROLLER部件中根据计组第五章PPT《流水线处理器》P58、60面的公式可以实现实时检测EX和MEM冒险的发生。当我们检测到EX或MEM冒险发生时，HAZAED_CONTROLLER输出对应的forwardA和forwardB，这两个信号可以对输入ALU的A,B信号内容进行筛选；与此同时，我们也将mem阶段和wb阶段的写回数据进行了前递，以供forward信号选择。
- load_use冒险：load_use冒险的检测阶段同样也是根据公式检测流水线系统，不同的是，解决此类冒险不能仅仅依靠前递，还需要实现流水线的停顿。当我们检测到load_use冒险时，将flag信号从HAZARD_CONTROLLER中传入IF/ID ID/EX寄存器和NPC部件之中，在IF/ID 寄存器和NPC中实现流水线的停顿，即保持其内容不变，同时也要将ID/EX寄存器中插入空泡，不允许被写入信号。经过这样的操作后，load_use冒险转变为了MEM冒险的结构，MEM冒险机制被激活，最终解决。
解决控制冒险：
控制冒险的解决比较简单，采用的是静态预测，每次都预测本次分支不发生跳转，继续pc+4。分支结果最早在EX阶段完成确认，将标志位br传回至NPC,IF/ID,ID/EX之中。若预测错误，那么NPC中将改变npc为跳转后的PC值，IF/ID和ID/EX流水线寄存器也将被清空。
EX冒险：
add.dump:
20: 00100113 addi x2, x0, 1
24: 00208733 add x14, x1, x2
以上两条指令之间存在EX冒险。在320ps时，此时ex_pc=0x20，说明上述第一条指令正在EX阶段计算，此时观察ALU_C=0x01，说明addi指令计算正确，但是还没有写回到ex_rf_wr=x02目标寄存器之中。再观察此时id_pc=0x24，说明add指令已经在ID译码阶段，此时寄存器堆读取寄存器rR1=0x01，rR2=0x02，可知id阶段指令的读取寄存器rR2等于ex阶段指令的写回寄存器ex_rf_wr。根据以下公式：
易知此时发生了EX冒险，故在330ps的时刻，ex_pc=0x24，此时前递信号forwardB=0x01，又由于此时alub_sel=0x01，因此根据以下逻辑判定：
else if (forwardB == `HAZARD_CONTROLLER_FORWARD_EX_MEM)
begin alub = mem_c; endALU_B应该前递来自mem阶段的ALU_C数据，在330ps时，mem_c=0x01，故此时alub也等于0x01，前递正确。
MEM冒险：
add.dump：
1c: 00100093 addi x1, x0, 1
24: 00208733 add x14, x1, x2
以上两条指令之间存在MEM冒险。在300ps时，观察到id_pc=0x1c，此时id_rf_wr=01，说明pc=0x1c的指令写回寄存器0x01。在310ps时，此时ex_pc=0x1c，说明上述第一条指令addi正在EX阶段计算，此时观察ALU_C=0x01，说明addi指令计算正确，但是还没有写回到ex_rf_wr=x01目标寄存器之中。再观察320ps时。id_pc=0x24，说明add指令已经在ID译码阶段，此时寄存器堆读取寄存器rR1=0x01，rR2=0x02，可知id阶段指令的读取寄存器rR1等于wb阶段指令的写回寄存器wb_rf_wr。根据以下公式：
可以知道330ps时系统判定发生了MEM冒险。forwardA=0x10，根据以下判断逻辑：
alua应该赋值wb_c，330ps时wb_c=0x01，alua=0x01前递成功。
控制冒险：
beq.dump:
8: 00000093 addi x1,x0,0
c: 00000113 addi x2,x0,0
10: 00208663 beq x1,x2,1c <reset_vector+0x18>
在270ps时，id_pc=0x10，即跳转指令，可以看到，id阶段的SEXT部件已经生成对应的立即数ext=0x0C。到280ps时，跳转指令进入ex阶段，在此阶段，已
经可以判断是否预测错误，根据如下指令：
而在280ps时，我们可以看到ALU_A=ALU_B，显然应该跳转，分支预测错误，标志位br=0x10。标志位br被传入NPC、IF/ID、ID/EX部件，同时，记录着跳转指令对应的pc值的jump_pc信号和偏移量offset信号一同传入NPC中，根据以下逻辑赋值：
else if (br == `NPC_BR_JUMP) begin
if (op == `NPC_OP_OFFSET) begin
npc = jump_pc + offset;
end
else if (op == `NPC_OP_JALR) begin
npc = jalr_pc;
end
else begin npc = 32'b0; end
end此时npc被赋值为jump_pc+offset=0x1c，是正确的分支。同时，跳转标志位传入前两个流水寄存器，对其进行清除操作。