RISC-V单周期处理器设计（基本介绍和数据通路）（一）.pdfVIP

RISC-V单周期处理器设计（基本介绍和数据通路）（⼀） ⼀、设计步骤 1.处理器设计的基本规范：指令 包括处理器需要具有那些功能，需要注意的是处理器的功能是由指令唯⼀确定。 2.处理器设计⽅案（包括数据通路和控制器） 数据通路：指令执⾏过程中，数据所经过的路径，包括路径中的部件。它是指令的执⾏部件。 控制器：对指令进⾏编码，⽣成指令对应的控制信号，控制数据通路的动作。并且能对执⾏部件发出控制信号。是指令的控制部件。 ⼆、常见类型指令的数据通路 每种指令的介绍可以参考我上⼀篇博客关于RISC-V指令集介绍 这⾥的数据通路包括：R型，I型，S型，B型，J型指令 1.R型数据通路 ⾸先了解个个部件： PC：程序计数器，单周期就是就是每个周期执⾏⼀条指令，每条指令执⾏完 PC+4(32位)到下⼀条指令 IM：指令存储器，我们写的⼀条条指令就放在指令存储器中，通过PC来判断取到了那⼀条指令。 RF:寄存器堆，R型指令包括三个寄存器 RS1,RS2,Rd。 ALU:运算单元，输⼊两个寄存器中的数据，通过ALU运算，将计算结果写回到Rd中。 R型指令：寄存器对寄存器操作。数据通路运⾏如下：通过clk控制pc从IM中取指令，指令送⼊寄存器堆（RF）中，从寄存器堆(RF)中取出 数据送⼊运算单元(ALU)进⾏运算，运算结果重新存储到寄存器堆(RF)中。 I型数据通路 需要注意：我们是要设计⼀个⽀持多种指令的数据通路，因此I型不要有新的数据通路，⽽是要在R型指令的基础上有⼀点⼩的改变实现。 ⾸先讲解I型指令：⽴即数与寄存器操作，或者访问存储器操作。两者的区别在于访存类指令是把存储器中的值写回寄存器堆，⽽其他类型I 型指令是把ALU运算结果写回到寄存器堆。 添加的部件 1.存储器模块(DM)：通过ALU计算出访存地址，从存储器中去除数据放⼊寄存器堆中。 2.⽴即数⽣成模块（EXT）：从数据通路中提取出⽴即数。注意不同类型的指令⽴即数存储格式不太⼀样，这个在我指令集那⼀篇博客中有 讲解。 2.选择器：两个选择器，⼀个是送⼊ALU中数据的选择器，第⼆个是DM和ALU计算结果的选择。 I型指令：⽴即数与寄存器堆操作。数据通路如下：通过clk控制pc从IM中取指令，指令送⼊寄存器堆（RF）和⽴即数⽣成单元（EXT） 中，从寄存器堆(RF)中取出数据与⽴即数⽣成单元（EXT）数据共同进⼊运算单元(ALU)进⾏运算，运算结果通过选择器直接（或者访存， 将内存中数据）写回寄存器堆。 S型指令数据通路 解释：S型指令与访存类指令其实是⼀个相反的过程，S型指令是把ALU结果存储的存储器（DM）中去 （S型指令不需要写会寄存器堆，也 不需要增加其他模块）。 S型指令：将rs2寄存器中的值存储到rs1寄存器偏移⽴即数位地址中去。数据通路如下：通过clk控制pc从IM中取指令，指令送⼊寄存器堆 （RF）和⽴即数⽣成单元（EXT）中，从寄存器堆(RF)中取出数据与⽴即数⽣成单元（EXT）数据共同进⼊运算单元(ALU)进⾏运算，运 算结果作为写⼊DM的地址，⽽写⼊地址中的值是另⼀个寄存器中的值，具体可以观察上图数据通路。 B型数据通路 B型指令主要是条件跳转，满⾜条件要经⾏跳转，这⾥跳转实际上是PC指针的跳转（可以想象C语⾔函数的调⽤），因此需要⽐较是否满 ⾜条件，还有PC=（PC+⽴即数）或者（PC+4）。 添加的部件 CMP:⽐较部件，⽐较两个寄存器中的值是否相等，是否满⾜跳转的条件。 两个选择器：⼀个是判断PC=（PC+⽴即数）还是（PC+4）。另⼀个是判断送⼊A（RS1寄存器中的值）还是PC的值进⼊ALU。 B型指令：判断两个寄存器值关系（⼤于，⼩于，或者相等），满⾜对应指令条件，PC跳转。数据通路：通过clk控制pc从IM中取指令，指 令送⼊寄存器堆（RF）和⽴即数⽣成单元（EXT）中，判断两个寄存器中数据的关系，满⾜条件PC跳转到PC+⽴即数位置去，不满⾜条件 则不跳转。 J型数据通路 只增加了蓝⾊的那⼀条线 这⾥很好理解，J型与B型的区别在于，B型是有条件跳转，⽽J型则是⽆条件跳转，同时J型需要把PC+4存储到寄存器堆中。 J型指令：将pc+4存储到rd寄存器中，同时pc跳转到pc+⽴即数位置去。数据通路不在解释，与上⾯类似。 总结 上⽂中主要讲解了，RISC-V的数据通路基本部分，但是我们发现上⾯有很多的选择器，⽽每个选择器其实都要有对应的控制信号，那这些 控制信号怎么产⽣那？还有这么多条指令，有如何识别对应的指令那？这就需要说的另⼀个重要组成部分，控制器。它是负责给数据通路对 应