緒論

RISC-V是什么

RISC，即精簡(jiǎn)指令集處理器，是相對(duì)于X86這種CISC（復(fù)雜指令集處理器）來(lái)說(shuō)的。RISC-V中的V是羅馬數(shù)字，也即阿拉伯?dāng)?shù)字中的5，就是指第5代RISC。

RISC-V是一種指令集架構(gòu)，和ARM、MIPS這些是屬于同一類(lèi)東西。RISC-V誕生于2010年，最大的特點(diǎn)是開(kāi)源，任何人都可以設(shè)計(jì)RISC-V架構(gòu)的處理器并且不會(huì)有任何版權(quán)問(wèn)題。

既生ARM，何生RISC-V

ARM是一種很優(yōu)秀的處理器，這一點(diǎn)是無(wú)可否認(rèn)的，在RISC處理器中是處于絕對(duì)老大的地位。但是ARM是閉源的，要設(shè)計(jì)基于ARM的處理器是要交版權(quán)費(fèi)的，或者說(shuō)要購(gòu)買(mǎi)ARM的授權(quán)，而且這授權(quán)費(fèi)用是昂貴的。

RISC-V的誕生并不是偶然的，而是必然的，為什么？且由我從以下兩大領(lǐng)域進(jìn)行說(shuō)明。

先看開(kāi)源軟件領(lǐng)域（或者說(shuō)是操作系統(tǒng)領(lǐng)域），Windows是閉源的，Linux是開(kāi)源的，Linux有多成功、對(duì)開(kāi)源軟件有多重要的意義，這個(gè)不用多說(shuō)了吧。再看手機(jī)操作系統(tǒng)領(lǐng)域，iOS是閉源的，Android是開(kāi)源的，Android有多成功，這個(gè)也不用多說(shuō)了吧。對(duì)于RISC處理器領(lǐng)域，由于有了ARM的閉源，必然就會(huì)有另外一種開(kāi)源的RISC處理器。RISC-V之于CPU的意義，就好比Linux之于開(kāi)源軟件的意義。

或者你會(huì)說(shuō)現(xiàn)在也有好多開(kāi)源的處理器架構(gòu)啊，比如MIPS等等，為什么偏偏是RISC-V？這個(gè)在這里我就不細(xì)說(shuō)了，我只想說(shuō)一句：大部分人能看到的機(jī)遇不會(huì)是一個(gè)好的機(jī)遇，你懂的。

可以說(shuō)未來(lái)十年乃至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)有比RISC-V更優(yōu)秀的開(kāi)源處理器架構(gòu)出現(xiàn)。錯(cuò)過(guò)RISC-V，你注定要錯(cuò)過(guò)一個(gè)時(shí)代。

淺談Verilog

verilog，確切來(lái)說(shuō)應(yīng)該是verilog HDL(Hardware Description Language )，從它的名字就可以知道這是一種硬件描述語(yǔ)言。首先它是一種語(yǔ)言，和C語(yǔ)言、C++語(yǔ)言一樣是一種編程語(yǔ)言，那么verilog描述的是什么硬件呢？描述電阻？描述電容？描述運(yùn)算放大器？都不是，它描述的是數(shù)字電路里的硬件，比如與、非門(mén)、觸發(fā)器、鎖存器等等。

既然是編程語(yǔ)言，那一定會(huì)有它的語(yǔ)法，學(xué)過(guò)C語(yǔ)言的同學(xué)再來(lái)看verilog得代碼，會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多地方是相似的。

verilog的語(yǔ)法并不難，難的是什么時(shí)候該用wire類(lèi)型，什么時(shí)候該用reg類(lèi)型，什么時(shí)候該用assign來(lái)描述電路，什么時(shí)候該用always來(lái)描述電路。assign能描述組合邏輯電路，always也能描述組合邏輯電路，兩者有什么區(qū)別呢？

用always描述組合邏輯電路

我們知道數(shù)字電路里有兩大類(lèi)型的電路，一種是組合邏輯電路，另外一種是時(shí)序邏輯電路。組合邏輯電路不需要時(shí)鐘作為觸發(fā)條件，因此輸入會(huì)立即(不考慮延時(shí))反映到輸出。時(shí)序邏輯電路以時(shí)鐘作為觸發(fā)條件，時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)輸入才會(huì)反映到輸出。

在verilog中，assign能描述組合邏輯電路，always也能描述組合邏輯電路。對(duì)于簡(jiǎn)單的組合邏輯電路的話(huà)兩者描述起來(lái)都比較好懂、容易理解，但是一旦到了復(fù)雜的組合邏輯電路，如果用assign描述的話(huà)要么是一大串要么是要用好多個(gè)assign，不容易弄明白。但是用always描述起來(lái)卻是非常容易理解的。

既然這樣，那全部組合邏輯電路都用always來(lái)描述好了，呵呵，既然assign存在就有它的合理性。

用always描述組合邏輯電路時(shí)要注意避免產(chǎn)生鎖存器，if和case的分支情況要寫(xiě)全。

在tinyriscv中用了大量的always來(lái)描述組合邏輯電路，特別是在譯碼和執(zhí)行階段。

數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的時(shí)序問(wèn)題

要分析數(shù)字電路中的時(shí)序問(wèn)題，就一定要提到以下這個(gè)模型。

其中對(duì)時(shí)序影響最大的是上圖中的組合邏輯電路。所以要避免時(shí)序問(wèn)題，最簡(jiǎn)單的方法減小組合邏輯電路的延時(shí)。組合邏輯電路里的串聯(lián)級(jí)數(shù)越多延時(shí)就越大，實(shí)在沒(méi)辦法減小串聯(lián)級(jí)數(shù)時(shí)，可以采用流水線(xiàn)的方式將這些級(jí)數(shù)用觸發(fā)器隔開(kāi)。

流水線(xiàn)設(shè)計(jì)

要設(shè)計(jì)處理器的話(huà)，流水線(xiàn)是繞不開(kāi)的。當(dāng)然你也可以抬杠說(shuō):”用狀態(tài)機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)處理器啊，不一定要用流水線(xiàn)。”

采用流水線(xiàn)設(shè)計(jì)方式，不但可以提高處理器的工作頻率，還可以提高處理器的效率。但是流水線(xiàn)并不是越長(zhǎng)越好，流水線(xiàn)越長(zhǎng)要使用的資源就越多、面積就越大。

在設(shè)計(jì)一款處理器之前，首先要確定好所設(shè)計(jì)的處理器要達(dá)到什么樣的性能(或者說(shuō)主頻最高是多少)，所使用的資源的上限是多少，功耗范圍是多少。如果一味地追求性能而不考慮資源和功耗的話(huà)，那么所設(shè)計(jì)出來(lái)的處理器估計(jì)就只能用來(lái)玩玩，或者做做學(xué)術(shù)研究。

tinyriscv采用的是三級(jí)流水線(xiàn)，即取指、譯碼和執(zhí)行，設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要對(duì)標(biāo)ARM的Cortex-M3系列處理器。

代碼風(fēng)格

代碼風(fēng)格其實(shí)并沒(méi)有一種標(biāo)準(zhǔn)，但是并不代表代碼風(fēng)格不重要。好的代碼風(fēng)格可以讓別人看你的代碼時(shí)有一種賞心悅目的感覺(jué)。哪怕代碼只是寫(xiě)給自己看，也一定要養(yǎng)成好的代碼風(fēng)格的習(xí)慣。tinyriscv的代碼風(fēng)格在很大程度上沿用了寫(xiě)C語(yǔ)言代碼所采用的風(fēng)格。

下面介紹tinyriscv的一些主要的代碼風(fēng)格。

縮進(jìn)

統(tǒng)一使用4個(gè)空格。

if語(yǔ)句

不管if語(yǔ)句下面有多少行語(yǔ)句，if下面的語(yǔ)句都由begin…end包起來(lái)，并且begin在if的最后，如下所示：

1if(a==1'b1)begin
2c<=?b;
3end?else?begin
4????c?<=?d;
5end

case語(yǔ)句

對(duì)于每一個(gè)分支情況，不管有多少行語(yǔ)句，都由begin…end包起來(lái)，如下所示：

1case(a)
2c:begin
3e=g;
4end
5default:begin
6b=t;
7end
8endcase

always語(yǔ)句

always語(yǔ)句后跟begin，如下所示：

1always@(posedgeclk)begin
2a<=?b;
3end

其他

=、==、<=、>=、+、-、*、/、@等符號(hào)左右各有一個(gè)空格。

,和:符號(hào)后面有一個(gè)空格。

對(duì)于模塊的輸入信號(hào)，不省略wire關(guān)鍵字。

每個(gè)文件的最后留一行空行。

if、case、always后面都有一個(gè)空格。

硬件篇

硬件篇主要介紹tinyriscv的verilog代碼設(shè)計(jì)。

tinyriscv整體框架如圖2_1所示。

圖2_1 tinyriscv整體框架

可見(jiàn)目前tinyriscv已經(jīng)不僅僅是一個(gè)內(nèi)核了，而是一個(gè)小型的SOC，包含一些簡(jiǎn)單的外設(shè)，如timer、uart_tx等。

tinyriscv SOC輸入輸出信號(hào)有兩部分，一部分是系統(tǒng)時(shí)鐘clk和復(fù)位信號(hào)rst，另一部分是JTAG調(diào)試信號(hào)，TCK、TMS、TDI和TDO。

上圖中的小方框表示一個(gè)個(gè)模塊，方框里面的文字表示模塊的名字，箭頭則表示模塊與模塊之間的的輸入輸出關(guān)系。

下面簡(jiǎn)單介紹每個(gè)模塊的主要作用。

jtag_top：調(diào)試模塊的頂層模塊，主要有三大類(lèi)型的信號(hào)，第一種是讀寫(xiě)內(nèi)存的信號(hào)，第二種是讀寫(xiě)寄存器的信號(hào)，第三種是控制信號(hào)，比如復(fù)位MCU，暫停MCU等。

pc_reg：PC寄存器模塊，用于產(chǎn)生PC寄存器的值，該值會(huì)被用作指令存儲(chǔ)器的地址信號(hào)。

if_id：取指到譯碼之間的模塊，用于將指令存儲(chǔ)器輸出的指令打一拍后送到譯碼模塊。

id：譯碼模塊，純組合邏輯電路，根據(jù)if_id模塊送進(jìn)來(lái)的指令進(jìn)行譯碼。當(dāng)譯碼出具體的指令(比如add指令)后，產(chǎn)生是否寫(xiě)寄存器信號(hào)，讀寄存器信號(hào)等。由于寄存器采用的是異步讀方式，因此只要送出讀寄存器信號(hào)后，會(huì)馬上得到對(duì)應(yīng)的寄存器數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)和寫(xiě)寄存器信號(hào)一起送到id_ex模塊。

id_ex：譯碼到執(zhí)行之間的模塊，用于將是否寫(xiě)寄存器的信號(hào)和寄存器數(shù)據(jù)打一拍后送到執(zhí)行模塊。

ex：執(zhí)行模塊，純組合邏輯電路，根據(jù)具體的指令進(jìn)行相應(yīng)的操作，比如add指令就執(zhí)行加法操作等。此外，如果是lw等訪存指令的話(huà)，則會(huì)進(jìn)行讀內(nèi)存操作，讀內(nèi)存也是采用異步讀方式。最后將是否需要寫(xiě)寄存器、寫(xiě)寄存器地址，寫(xiě)寄存器數(shù)據(jù)信號(hào)送給regs模塊，將是否需要寫(xiě)內(nèi)存、寫(xiě)內(nèi)存地址、寫(xiě)內(nèi)存數(shù)據(jù)信號(hào)送給rib總線(xiàn)，由總線(xiàn)來(lái)分配訪問(wèn)的模塊。

div：除法模塊，采用試商法實(shí)現(xiàn)，因此至少需要32個(gè)時(shí)鐘才能完成一次除法操作。

ctrl：控制模塊，產(chǎn)生暫停流水線(xiàn)、跳轉(zhuǎn)等控制信號(hào)。

clint：核心本地中斷模塊，對(duì)輸入的中斷請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行總裁，產(chǎn)生最終的中斷信號(hào)。

rom：程序存儲(chǔ)器模塊，用于存儲(chǔ)程序(bin)文件。

ram：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊，用于存儲(chǔ)程序中的數(shù)據(jù)。

timer：定時(shí)器模塊，用于計(jì)時(shí)和產(chǎn)生定時(shí)中斷信號(hào)。目前支持RTOS時(shí)需要用到該定時(shí)器。

uart_tx：串口發(fā)送模塊，主要用于調(diào)試打印。

gpio：簡(jiǎn)單的IO口模塊，主要用于點(diǎn)燈調(diào)試。

spi：目前只有master角色，用于訪問(wèn)spi從機(jī)，比如spi norflash。

PC寄存器

PC寄存器模塊所在的源文件：rtl/core/pc_reg.v

PC寄存器模塊的輸入輸出信號(hào)如下表所示：

PC寄存器模塊代碼比較簡(jiǎn)單，直接貼出來(lái)：

 1always@(posedgeclk)begin
 2//復(fù)位
 3if(rst==`RstEnable||jtag_reset_flag_i==1'b1)begin
 4pc_o<=?`CpuResetAddr;
 5????//?跳轉(zhuǎn)
 6????end?else?if?(jump_flag_i?==?`JumpEnable)?begin
 7????????pc_o?<=?jump_addr_i;
 8????//?暫停
 9????end?else?if?(hold_flag_i?>=`Hold_Pc)begin
10pc_o<=?pc_o;
11????//?地址加4
12????end?else?begin
13????????pc_o?<=?pc_o?+?4'h4;
14????end
15end
16

第3行，PC寄存器的值恢復(fù)到原始值(復(fù)位后的值)有兩種方式，第一種不用說(shuō)了，就是復(fù)位信號(hào)有效。第二種是收到j(luò)tag模塊發(fā)過(guò)來(lái)的復(fù)位信號(hào)。PC寄存器復(fù)位后的值為CpuResetAddr，即32’h0，可以通過(guò)改變CpuResetAddr的值來(lái)改變PC寄存器的復(fù)位值。

第6行，判斷跳轉(zhuǎn)標(biāo)志是否有效，如果有效則直接將PC寄存器的值設(shè)置為jump_addr_i的值。因此可以知道，所謂的跳轉(zhuǎn)就是改變PC寄存器的值，從而使CPU從該跳轉(zhuǎn)地址開(kāi)始取指。

第9行，判斷暫停標(biāo)志是否大于等于Hold_Pc，該值為3’b001。如果是，則保持PC寄存器的值不變。這里可能會(huì)有疑問(wèn)，為什么Hold_Pc的值不是一個(gè)1bit的信號(hào)。因?yàn)檫@個(gè)暫停標(biāo)志還會(huì)被if_id和id_ex模塊使用，如果僅僅需要暫停PC寄存器的話(huà)，那么if_id模塊和id_ex模塊是不需要暫停的。當(dāng)需要暫停if_id模塊時(shí)，PC寄存器也會(huì)同時(shí)被暫停。當(dāng)需要暫停id_ex模塊時(shí)，那么整條流水線(xiàn)都會(huì)被暫停。

第13行，將PC寄存器的值加4。在這里可以知道，tinyriscv的取指地址是4字節(jié)對(duì)齊的，每條指令都是32位的。

通用寄存器

通用寄存器模塊所在的源文件：rtl/core/regs.v

一共有32個(gè)通用寄存器x0~x31，其中寄存器x0是只讀寄存器并且其值固定為0。

通用寄存器的輸入輸出信號(hào)如下表所示：

注意，這里的寄存器1不是指x1寄存器，寄存器2也不是指x2寄存器。而是指一條指令里涉及到的兩個(gè)寄存器(源寄存器1和源寄存器2)。一條指令可能會(huì)同時(shí)讀取兩個(gè)寄存器的值，所以有兩個(gè)讀端口。又因?yàn)閖tag模塊也會(huì)進(jìn)行寄存器的讀操作，所以一共有三個(gè)讀端口。

讀寄存器操作來(lái)自譯碼模塊，并且讀出來(lái)的寄存器數(shù)據(jù)也會(huì)返回給譯碼模塊。寫(xiě)寄存器操作來(lái)自執(zhí)行模塊。

先看讀操作的代碼，如下：

 1//讀寄存器1
 2always@(*)begin
 3if(rst==`RstEnable)begin
 4rdata1_o=`ZeroWord;
 5endelseif(raddr1_i==`RegNumLog2'h0)begin
 6rdata1_o=`ZeroWord;
 7//如果讀地址等于寫(xiě)地址，并且正在寫(xiě)操作，則直接返回寫(xiě)數(shù)據(jù)
 8endelseif(raddr1_i==waddr_i&&we_i==`WriteEnable)begin
 9rdata1_o=wdata_i;
10endelsebegin
11rdata1_o=regs[raddr1_i];
12end
13end
14
15//讀寄存器2
16always@(*)begin
17if(rst==`RstEnable)begin
18rdata2_o=`ZeroWord;
19endelseif(raddr2_i==`RegNumLog2'h0)begin
20rdata2_o=`ZeroWord;
21//如果讀地址等于寫(xiě)地址，并且正在寫(xiě)操作，則直接返回寫(xiě)數(shù)據(jù)
22endelseif(raddr2_i==waddr_i&&we_i==`WriteEnable)begin
23rdata2_o=wdata_i;
24endelsebegin
25rdata2_o=regs[raddr2_i];
26end
27end
28

可以看到兩個(gè)寄存器的讀操作幾乎是一樣的。因此在這里只解析讀寄存器1那部分代碼。

第5行，如果是讀寄存器0(x0)，那么直接返回0就可以了。

第8行，這涉及到數(shù)據(jù)相關(guān)問(wèn)題。由于流水線(xiàn)的原因，當(dāng)前指令處于執(zhí)行階段的時(shí)候，下一條指令則處于譯碼階段。由于執(zhí)行階段不會(huì)寫(xiě)寄存器，而是在下一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)才會(huì)進(jìn)行寄存器寫(xiě)操作，如果譯碼階段的指令需要上一條指令的結(jié)果，那么此時(shí)讀到的寄存器的值是錯(cuò)誤的。比如下面這兩條指令：

1addx1,x2,x3
2addx4,x1,x5

第二條指令依賴(lài)于第一條指令的結(jié)果。為了解決這個(gè)數(shù)據(jù)相關(guān)的問(wèn)題就有了第8~9行的操作，即如果讀寄存器等于寫(xiě)寄存器，則直接將要寫(xiě)的值返回給讀操作。

第11行，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)相關(guān)，則返回要讀的寄存器的值。

下面看寫(xiě)寄存器操作，代碼如下：

 1//寫(xiě)寄存器
 2always@(posedgeclk)begin
 3if(rst==`RstDisable)begin
 4//優(yōu)先ex模塊寫(xiě)操作
 5if((we_i==`WriteEnable)&&(waddr_i!=`RegNumLog2'h0))begin
 6regs[waddr_i]<=?wdata_i;
 7????????end?else?if?((jtag_we_i?==?`WriteEnable)?&&?(jtag_addr_i?!=?`RegNumLog2'h0))?begin
 8????????????regs[jtag_addr_i]?<=?jtag_data_i;
 9????????end
10????end
11end

第5~6行，如果執(zhí)行模塊寫(xiě)使能并且要寫(xiě)的寄存器不是x0寄存器，則將要寫(xiě)的值寫(xiě)到對(duì)應(yīng)的寄存器。

第7~8行，jtag模塊的寫(xiě)操作。

CSR寄存器模塊(csr_reg.v)和通用寄存器模塊的讀、寫(xiě)操作是類(lèi)似的，這里就不重復(fù)了。

取指

目前tinyriscv所有外設(shè)(包括rom和ram)、寄存器的讀取都是與時(shí)鐘無(wú)關(guān)的，或者說(shuō)所有外設(shè)、寄存器的讀取采用的是組合邏輯的方式。這一點(diǎn)非常重要!

tinyriscv并沒(méi)有具體的取指模塊和代碼。PC寄存器模塊的輸出pc_o會(huì)連接到外設(shè)rom模塊的地址輸入，又由于rom的讀取是組合邏輯，因此每一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)之前(時(shí)序是滿(mǎn)足要求的)，從rom輸出的指令已經(jīng)穩(wěn)定在if_id模塊的輸入，當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)指令就會(huì)輸出到id模塊。

取到的指令和指令地址會(huì)輸入到if_id模塊(if_id.v)，if_id模塊是一個(gè)時(shí)序電路，作用是將輸入的信號(hào)打一拍后再輸出到譯碼(id.v)模塊。

譯碼

譯碼模塊所在的源文件：rtl/core/id.v

譯碼(id)模塊是一個(gè)純組合邏輯電路，主要作用有以下幾點(diǎn)：

1.根據(jù)指令內(nèi)容，解析出當(dāng)前具體是哪一條指令(比如add指令)。

2.根據(jù)具體的指令，確定當(dāng)前指令涉及的寄存器。比如讀寄存器是一個(gè)還是兩個(gè)，是否需要寫(xiě)寄存器以及寫(xiě)哪一個(gè)寄存器。

3.訪問(wèn)通用寄存器，得到要讀的寄存器的值。

譯碼模塊的輸入輸出信號(hào)如下表所示：

以add指令為例來(lái)說(shuō)明如何譯碼。下圖是add指令的編碼格式：

可知，add指令被編碼成6部分內(nèi)容。通過(guò)第1、4、6這三部分可以唯一確定當(dāng)前指令是否是add指令。知道是add指令之后，就可以知道add指令需要讀兩個(gè)通用寄存器(rs1和rs2)和寫(xiě)一個(gè)通用寄存器(rd)。下面看具體的代碼：

 1case(opcode)
 2...
 3`INST_TYPE_R_M:begin
 4if((funct7==7'b0000000)||(funct7==7'b0100000))begin
 5case(funct3)
 6`INST_ADD_SUB,`INST_SLL,`INST_SLT,`INST_SLTU,`INST_XOR,`INST_SR,`INST_OR,`INST_AND:begin
 7reg_we_o=`WriteEnable;
 8reg_waddr_o=rd;
 9reg1_raddr_o=rs1;
10reg2_raddr_o=rs2;
11end
12...
13

第1行，opcode就是指令編碼中的第6部分內(nèi)容。

第3行，`INST_TYPE_R_M的值為7’b0110011。

第4行，funct7是指指令編碼中的第1部分內(nèi)容。

第5行，funct3是指指令編碼中的第4部分內(nèi)容。

第6行，到了這里，第1、4、6這三部分已經(jīng)譯碼完畢，已經(jīng)可以確定當(dāng)前指令是add指令了。

第7行，設(shè)置寫(xiě)寄存器標(biāo)志為1，表示執(zhí)行模塊結(jié)束后的下一個(gè)時(shí)鐘需要寫(xiě)寄存器。

第8行，設(shè)置寫(xiě)寄存器地址為rd，rd的值為指令編碼里的第5部分內(nèi)容。

第9行，設(shè)置讀寄存器1的地址為rs1，rs1的值為指令編碼里的第3部分內(nèi)容。

第10行，設(shè)置讀寄存器2的地址為rs2，rs2的值為指令編碼里的第2部分內(nèi)容。

其他指令的譯碼過(guò)程是類(lèi)似的，這里就不重復(fù)了。譯碼模塊看起來(lái)代碼很多，但是大部分代碼都是類(lèi)似的。

譯碼模塊還有個(gè)作用是當(dāng)指令為加載內(nèi)存指令(比如lw等)時(shí)，向總線(xiàn)發(fā)出請(qǐng)求訪問(wèn)內(nèi)存的信號(hào)。這部分內(nèi)容將在總線(xiàn)一節(jié)再分析。

譯碼模塊的輸出會(huì)送到id_ex模塊(id_ex.v)的輸入，id_ex模塊是一個(gè)時(shí)序電路，作用是將輸入的信號(hào)打一拍后再輸出到執(zhí)行模塊(ex.v)。

執(zhí)行

執(zhí)行模塊所在的源文件：rtl/core/ex.v

執(zhí)行(ex)模塊是一個(gè)純組合邏輯電路，主要作用有以下幾點(diǎn)：

1.根據(jù)當(dāng)前是什么指令執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作，比如add指令，則將寄存器1的值和寄存器2的值相加。

2.如果是內(nèi)存加載指令，則讀取對(duì)應(yīng)地址的內(nèi)存數(shù)據(jù)。

3.如果是跳轉(zhuǎn)指令，則發(fā)出跳轉(zhuǎn)信號(hào)。

執(zhí)行模塊的輸入輸出信號(hào)如下表所示：

下面以add指令為例說(shuō)明，add指令的作用就是將寄存器1的值和寄存器2的值相加，最后將結(jié)果寫(xiě)入目的寄存器。代碼如下：

 1...
 2`INST_TYPE_R_M:begin
 3if((funct7==7'b0000000)||(funct7==7'b0100000))begin
 4case(funct3)
 5`INST_ADD_SUB:begin
 6jump_flag=`JumpDisable;
 7hold_flag=`HoldDisable;
 8jump_addr=`ZeroWord;
 9mem_wdata_o=`ZeroWord;
10mem_raddr_o=`ZeroWord;
11mem_waddr_o=`ZeroWord;
12mem_we=`WriteDisable;
13if(inst_i[30]==1'b0)begin
14reg_wdata=reg1_rdata_i+reg2_rdata_i;
15endelsebegin
16reg_wdata=reg1_rdata_i-reg2_rdata_i;
17end
18...
19end
20...

第2~4行，譯碼操作。

第5行，對(duì)add或sub指令進(jìn)行處理。

第6~12行，當(dāng)前指令不涉及到的操作(比如跳轉(zhuǎn)、寫(xiě)內(nèi)存等)需要將其置回默認(rèn)值。

第13行，指令編碼中的第30位區(qū)分是add指令還是sub指令。0表示add指令，1表示sub指令。

第14行，執(zhí)行加法操作。

第16行，執(zhí)行減法操作。

其他指令的執(zhí)行是類(lèi)似的，需要注意的是沒(méi)有涉及的信號(hào)要將其置為默認(rèn)值，if和case情況要寫(xiě)全，避免產(chǎn)生鎖存器。

下面以beq指令說(shuō)明跳轉(zhuǎn)指令的執(zhí)行。beq指令的編碼如下：

beq指令的作用就是當(dāng)寄存器1的值和寄存器2的值相等時(shí)發(fā)生跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)的目的地址為當(dāng)前指令的地址加上符號(hào)擴(kuò)展的imm的值。具體代碼如下：

 1...
 2`INST_TYPE_B:begin
 3case(funct3)
 4`INST_BEQ:begin
 5hold_flag=`HoldDisable;
 6mem_wdata_o=`ZeroWord;
 7mem_raddr_o=`ZeroWord;
 8mem_waddr_o=`ZeroWord;
 9mem_we=`WriteDisable;
10reg_wdata=`ZeroWord;
11if(reg1_rdata_i==reg2_rdata_i)begin
12jump_flag=`JumpEnable;
13jump_addr=inst_addr_i+{{20{inst_i[31]}},inst_i[7],inst_i[30:25],inst_i[11:8],1'b0};
14endelsebegin
15jump_flag=`JumpDisable;
16jump_addr=`ZeroWord;
17end
18...
19end
20...

第2~4行，譯碼出beq指令。

第5~10行，沒(méi)有涉及的信號(hào)置為默認(rèn)值。

第11行，判斷寄存器1的值是否等于寄存器2的值。

第12行，跳轉(zhuǎn)使能，即發(fā)生跳轉(zhuǎn)。

第13行，計(jì)算出跳轉(zhuǎn)的目的地址。

第15、16行，不發(fā)生跳轉(zhuǎn)。

其他跳轉(zhuǎn)指令的執(zhí)行是類(lèi)似的，這里就不再重復(fù)了。

訪存

由于tinyriscv只有三級(jí)流水線(xiàn)，因此沒(méi)有訪存這個(gè)階段，訪存的操作放在了執(zhí)行模塊中。具體是這樣的，在譯碼階段如果識(shí)別出是內(nèi)存訪問(wèn)指令(lb、lh、lw、lbu、lhu、sb、sh、sw)，則向總線(xiàn)發(fā)出內(nèi)存訪問(wèn)請(qǐng)求，具體代碼(位于id.v)如下：

 1...
 2`INST_TYPE_L:begin
 3case(funct3)
 4`INST_LB,`INST_LH,`INST_LW,`INST_LBU,`INST_LHU:begin
 5reg1_raddr_o=rs1;
 6reg2_raddr_o=`ZeroReg;
 7reg_we_o=`WriteEnable;
 8reg_waddr_o=rd;
 9mem_req=`RIB_REQ;
10end
11default:begin
12reg1_raddr_o=`ZeroReg;
13reg2_raddr_o=`ZeroReg;
14reg_we_o=`WriteDisable;
15reg_waddr_o=`ZeroReg;
16end
17endcase
18end
19`INST_TYPE_S:begin
20case(funct3)
21`INST_SB,`INST_SW,`INST_SH:begin
22reg1_raddr_o=rs1;
23reg2_raddr_o=rs2;
24reg_we_o=`WriteDisable;
25reg_waddr_o=`ZeroReg;
26mem_req=`RIB_REQ;
27end
28...

第2~4行，譯碼出內(nèi)存加載指令，lb、lh、lw、lbu、lhu。

第5行，需要讀寄存器1。

第6行，不需要讀寄存器2。

第7行，寫(xiě)目的寄存器使能。

第8行，寫(xiě)目的寄存器的地址，即寫(xiě)哪一個(gè)通用寄存器。

第9行，發(fā)出訪問(wèn)內(nèi)存請(qǐng)求。

第19~21行，譯碼出內(nèi)存存儲(chǔ)指令，sb、sw、sh。

第22行，需要讀寄存器1。

第23行，需要讀寄存器2。

第24行，不需要寫(xiě)目的寄存器。

第26行，發(fā)出訪問(wèn)內(nèi)存請(qǐng)求。

問(wèn)題來(lái)了，為什么在取指階段發(fā)出內(nèi)存訪問(wèn)請(qǐng)求？這跟總線(xiàn)的設(shè)計(jì)是相關(guān)的，這里先不具體介紹總線(xiàn)的設(shè)計(jì)，只需要知道如果需要訪問(wèn)內(nèi)存，則需要提前一個(gè)時(shí)鐘向總線(xiàn)發(fā)出請(qǐng)求。

在譯碼階段向總線(xiàn)發(fā)出內(nèi)存訪問(wèn)請(qǐng)求后，在執(zhí)行階段就會(huì)得到對(duì)應(yīng)的內(nèi)存數(shù)據(jù)。

下面看執(zhí)行階段的內(nèi)存加載操作，以lb指令為例，lb指令的作用是訪問(wèn)內(nèi)存中的某一個(gè)字節(jié)，代碼(位于ex.v)如下：

 1...
 2`INST_TYPE_L:begin
 3case(funct3)
 4`INST_LB:begin
 5jump_flag=`JumpDisable;
 6hold_flag=`HoldDisable;
 7jump_addr=`ZeroWord;
 8mem_wdata_o=`ZeroWord;
 9mem_waddr_o=`ZeroWord;
10mem_we=`WriteDisable;
11mem_raddr_o=reg1_rdata_i+{{20{inst_i[31]}},inst_i[31:20]};
12case(mem_raddr_index)
132'b00:begin
14reg_wdata={{24{mem_rdata_i[7]}},mem_rdata_i[7:0]};
15end
162'b01:begin
17reg_wdata={{24{mem_rdata_i[15]}},mem_rdata_i[15:8]};
18end
192'b10:begin
20reg_wdata={{24{mem_rdata_i[23]}},mem_rdata_i[23:16]};
21end
22default:begin
23reg_wdata={{24{mem_rdata_i[31]}},mem_rdata_i[31:24]};
24end
25endcase
26end
27...
28

第2~4行，譯碼出lb指令。

第5~10行，將沒(méi)有涉及的信號(hào)置為默認(rèn)值。

第11行，得到訪存的地址。

第12行，由于訪問(wèn)內(nèi)存的地址必須是4字節(jié)對(duì)齊的，因此這里的mem_raddr_index的含義就是32位內(nèi)存數(shù)據(jù)(4個(gè)字節(jié))中的哪一個(gè)字節(jié)，2’b00表示第0個(gè)字節(jié)，即最低字節(jié)，2’b01表示第1個(gè)字節(jié)，2’b10表示第2個(gè)字節(jié)，2’b11表示第3個(gè)字節(jié)，即最高字節(jié)。

第14、17、20、23行，寫(xiě)寄存器數(shù)據(jù)。

回寫(xiě)

由于tinyriscv只有三級(jí)流水線(xiàn)，因此也沒(méi)有回寫(xiě)(write back，或者說(shuō)寫(xiě)回)這個(gè)階段，在執(zhí)行階段結(jié)束后的下一個(gè)時(shí)鐘上升沿就會(huì)把數(shù)據(jù)寫(xiě)回寄存器或者內(nèi)存。

需要注意的是，在執(zhí)行階段，判斷如果是內(nèi)存存儲(chǔ)指令(sb、sh、sw)，則向總線(xiàn)發(fā)出訪問(wèn)內(nèi)存請(qǐng)求。而對(duì)于內(nèi)存加載(lb、lh、lw、lbu、lhu)指令是不需要的。因?yàn)閮?nèi)存存儲(chǔ)指令既需要加載內(nèi)存數(shù)據(jù)又需要往內(nèi)存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

以sb指令為例，代碼(位于ex.v)如下：

 1...
 2`INST_TYPE_S:begin
 3case(funct3)
 4`INST_SB:begin
 5jump_flag=`JumpDisable;
 6hold_flag=`HoldDisable;
 7jump_addr=`ZeroWord;
 8reg_wdata=`ZeroWord;
 9mem_we=`WriteEnable;
10mem_req=`RIB_REQ;
11mem_waddr_o=reg1_rdata_i+{{20{inst_i[31]}},inst_i[31:25],inst_i[11:7]};
12mem_raddr_o=reg1_rdata_i+{{20{inst_i[31]}},inst_i[31:25],inst_i[11:7]};
13case(mem_waddr_index)
142'b00:begin
15mem_wdata_o={mem_rdata_i[31:8],reg2_rdata_i[7:0]};
16end
172'b01:begin
18mem_wdata_o={mem_rdata_i[31:16],reg2_rdata_i[7:0],mem_rdata_i[7:0]};
19end
202'b10:begin
21mem_wdata_o={mem_rdata_i[31:24],reg2_rdata_i[7:0],mem_rdata_i[15:0]};
22end
23default:begin
24mem_wdata_o={reg2_rdata_i[7:0],mem_rdata_i[23:0]};
25end
26endcase
27end
28...
29

第2~4行，譯碼出sb指令。

第5~8行，將沒(méi)有涉及的信號(hào)置為默認(rèn)值。

第9行，寫(xiě)內(nèi)存使能。

第10行，發(fā)出訪問(wèn)內(nèi)存請(qǐng)求。

第11行，內(nèi)存寫(xiě)地址。

第12行，內(nèi)存讀地址，讀地址和寫(xiě)地址是一樣的。

第13行，mem_waddr_index的含義就是寫(xiě)32位內(nèi)存數(shù)據(jù)中的哪一個(gè)字節(jié)。

第15、18、21、24行，寫(xiě)內(nèi)存數(shù)據(jù)。

sb指令只改變讀出來(lái)的32位內(nèi)存數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的字節(jié)，其他3個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)保持不變，然后寫(xiě)回到內(nèi)存中。

跳轉(zhuǎn)和流水線(xiàn)暫停

跳轉(zhuǎn)就是改變PC寄存器的值。又因?yàn)樘D(zhuǎn)與否需要在執(zhí)行階段才知道，所以當(dāng)需要跳轉(zhuǎn)時(shí)，則需要暫停流水線(xiàn)(正確來(lái)說(shuō)是沖刷流水線(xiàn)。流水線(xiàn)是不可以暫停的，除非時(shí)鐘不跑了)。那怎么暫停流水線(xiàn)呢？或者說(shuō)怎么實(shí)現(xiàn)流水線(xiàn)沖刷呢？tinyriscv的流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

其中長(zhǎng)方形表示的是時(shí)序邏輯電路，云狀型表示的是組合邏輯電路。在執(zhí)行階段，當(dāng)判斷需要發(fā)生跳轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)出跳轉(zhuǎn)信號(hào)和跳轉(zhuǎn)地址給ctrl(ctrl.v)模塊。ctrl模塊判斷跳轉(zhuǎn)信號(hào)有效后會(huì)給pc_reg、if_id和id_ex模塊發(fā)出流水線(xiàn)暫停信號(hào)，并且還會(huì)給pc_reg模塊發(fā)出跳轉(zhuǎn)地址。在時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，if_id和id_ex模塊如果檢測(cè)到流水線(xiàn)暫停信號(hào)有效則送出NOP指令，從而使得整條流水線(xiàn)(譯碼階段、執(zhí)行階段)流淌的都是NOP指令，已經(jīng)取出的指令就會(huì)無(wú)效，這就是流水線(xiàn)沖刷機(jī)制。

下面看ctrl.v模塊是怎么設(shè)計(jì)的。ctrl.v的輸入輸出信號(hào)如下表所示：

可知，暫停信號(hào)來(lái)自多個(gè)模塊。對(duì)于跳轉(zhuǎn)(跳轉(zhuǎn)包含暫停流水線(xiàn)操作)，是要沖刷整條流水線(xiàn)的，因?yàn)樘D(zhuǎn)后流水線(xiàn)上其他階段的其他操作是無(wú)效的。對(duì)于其他模塊的暫停信號(hào)，一種最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)就是也沖刷整條流水線(xiàn)，但是這樣的話(huà)MCU的效率就會(huì)低一些。另一種設(shè)計(jì)就是根據(jù)不同的暫停信號(hào)，暫停不同的流水線(xiàn)階段。比如對(duì)于總線(xiàn)請(qǐng)求的暫停只需要暫停PC寄存器這一階段就可以了，讓流水線(xiàn)上的其他階段繼續(xù)工作。看ctrl.v的代碼：

 1...
 2always@(*)begin
 3if(rst==`RstEnable)begin
 4hold_flag_o=`Hold_None;
 5jump_flag_o=`JumpDisable;
 6jump_addr_o=`ZeroWord;
 7endelsebegin
 8jump_addr_o=jump_addr_i;
 9jump_flag_o=jump_flag_i;
10//默認(rèn)不暫停
11hold_flag_o=`Hold_None;
12//按優(yōu)先級(jí)處理不同模塊的請(qǐng)求
13if(jump_flag_i==`JumpEnable||hold_flag_ex_i==`HoldEnable||hold_flag_clint_i==`HoldEnable)begin
14//暫停整條流水線(xiàn)
15hold_flag_o=`Hold_Id;
16endelseif(hold_flag_rib_i==`HoldEnable)begin
17//暫停PC，即取指地址不變
18hold_flag_o=`Hold_Pc;
19endelseif(jtag_halt_flag_i==`HoldEnable)begin
20//暫停整條流水線(xiàn)
21hold_flag_o=`Hold_Id;
22endelsebegin
23hold_flag_o=`Hold_None;
24end
25end
26end
27...

第3~6行，復(fù)位時(shí)賦默認(rèn)值。

第8行，輸出跳轉(zhuǎn)地址直接等于輸入跳轉(zhuǎn)地址。

第9行，輸出跳轉(zhuǎn)標(biāo)志直接等于輸入跳轉(zhuǎn)標(biāo)志。

第11行，默認(rèn)不暫停流水線(xiàn)。

第13、14行，對(duì)于跳轉(zhuǎn)操作、來(lái)自執(zhí)行階段的暫停、來(lái)自中斷模塊的暫停則暫停整條流水線(xiàn)。

第16~18行，對(duì)于總線(xiàn)暫停，只需要暫停PC寄存器，讓譯碼和執(zhí)行階段繼續(xù)運(yùn)行。

第19~21行，對(duì)于jtag模塊暫停，則暫停整條流水線(xiàn)。

跳轉(zhuǎn)時(shí)只需要暫停流水線(xiàn)一個(gè)時(shí)鐘周期，但是如果是多周期指令(比如除法指令)，則需要暫停流水線(xiàn)多個(gè)時(shí)鐘周期。

總線(xiàn)

設(shè)想一下一個(gè)沒(méi)有總線(xiàn)的SOC，處理器核與外設(shè)之間的連接是怎樣的。可能會(huì)如下圖所示：

可見(jiàn)，處理器核core直接與每個(gè)外設(shè)進(jìn)行交互。假設(shè)一個(gè)外設(shè)有一條地址總線(xiàn)和一條數(shù)據(jù)總線(xiàn)，總共有N個(gè)外設(shè)，那么處理器核就有N條地址總線(xiàn)和N條數(shù)據(jù)總線(xiàn)，而且每增加一個(gè)外設(shè)就要修改(改動(dòng)還不小)core的代碼。有了總線(xiàn)之后(見(jiàn)本章開(kāi)頭的圖2_1)，處理器核只需要一條地址總線(xiàn)和一條數(shù)據(jù)總線(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了處理器核與外設(shè)之間的連接。

目前已經(jīng)有不少成熟、標(biāo)準(zhǔn)的總線(xiàn)，比如AMBA、wishbone、AXI等。設(shè)計(jì)CPU時(shí)大可以直接使用其中某一種，以節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。但是為了追求簡(jiǎn)單，tinyriscv并沒(méi)有使用這些總線(xiàn)，而是自主設(shè)計(jì)了一種名為RIB(RISC-V Internal Bus)的總線(xiàn)。RIB總線(xiàn)支持多主多從連接，但是同一時(shí)刻只支持一主一從通信。RIB總線(xiàn)上的各個(gè)主設(shè)備之間采用固定優(yōu)先級(jí)仲裁機(jī)制。

RIB總線(xiàn)模塊所在的源文件：rtl/core/rib.v

RIB總線(xiàn)模塊的輸入輸出信號(hào)如下表所示(由于各個(gè)主、從之間的信號(hào)是類(lèi)似的，所以這里只列出其中一個(gè)主和一個(gè)從的信號(hào))：

RIB總線(xiàn)本質(zhì)上是一個(gè)多路選擇器，從多個(gè)主設(shè)備中選擇其中一個(gè)來(lái)訪問(wèn)對(duì)應(yīng)的從設(shè)備。

RIB總線(xiàn)地址的最高4位決定要訪問(wèn)的是哪一個(gè)從設(shè)備，因此最多支持16個(gè)從設(shè)備。

仲裁方式采用的類(lèi)似狀態(tài)機(jī)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，代碼如下所示：

 1...
 2//主設(shè)備請(qǐng)求信號(hào)
 3assignreq={m2_req_i,m1_req_i,m0_req_i};
 4
 5
 6//授權(quán)主設(shè)備切換
 7always@(posedgeclk)begin
 8if(rst==`RstEnable)begin
 9grant<=?grant1;
10????????end?else?begin
11????????????grant?<=?next_grant;
12????????end
13????end
14
15????//?仲裁邏輯
16????//?固定優(yōu)先級(jí)仲裁機(jī)制
17????//?優(yōu)先級(jí)由高到低：主設(shè)備0，主設(shè)備2，主設(shè)備1
18????always?@?(*)?begin
19????????if?(rst?==?`RstEnable)?begin
20????????????next_grant?=?grant1;
21????????????hold_flag_o?=?`HoldDisable;
22????????end?else?begin
23????????????case?(grant)
24????????????????grant0:?begin
25????????????????????if?(req[0])?begin
26????????????????????????next_grant?=?grant0;
27????????????????????????hold_flag_o?=?`HoldEnable;
28????????????????????end?else?if?(req[2])?begin
29????????????????????????next_grant?=?grant2;
30????????????????????????hold_flag_o?=?`HoldEnable;
31????????????????????end?else?begin
32????????????????????????next_grant?=?grant1;
33????????????????????????hold_flag_o?=?`HoldDisable;
34????????????????????end
35????????????????end
36????????????????grant1:?begin
37????????????????????if?(req[0])?begin
38????????????????????????next_grant?=?grant0;
39????????????????????????hold_flag_o?=?`HoldEnable;
40????????????????????end?else?if?(req[2])?begin
41????????????????????????next_grant?=?grant2;
42????????????????????????hold_flag_o?=?`HoldEnable;
43????????????????????end?else?begin
44????????????????????????next_grant?=?grant1;
45????????????????????????hold_flag_o?=?`HoldDisable;
46????????????????????end
47????????????????end
48????????????????grant2:?begin
49????????????????????if?(req[0])?begin
50????????????????????????next_grant?=?grant0;
51????????????????????????hold_flag_o?=?`HoldEnable;
52????????????????????end?else?if?(req[2])?begin
53????????????????????????next_grant?=?grant2;
54????????????????????????hold_flag_o?=?`HoldEnable;
55????????????????????end?else?begin
56????????????????????????next_grant?=?grant1;
57????????????????????????hold_flag_o?=?`HoldDisable;
58????????????????????end
59????????????????end
60????????????????default:?begin
61????????????????????next_grant?=?grant1;
62????????????????????hold_flag_o?=?`HoldDisable;
63????????????????end
64????????????endcase
65????????end
66????end
67...

第3行，主設(shè)備請(qǐng)求信號(hào)的組合。

第7~13行，切換主設(shè)備操作，默認(rèn)是授權(quán)給主設(shè)備1的，即取指模塊。從這里可以知道，從發(fā)出總線(xiàn)訪問(wèn)請(qǐng)求后，需要一個(gè)時(shí)鐘周期才能完成切換。

第18~66行，通過(guò)組合邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)仲裁。

第20行，默認(rèn)授權(quán)給主設(shè)備1。

第24~35行，這是已經(jīng)授權(quán)給主設(shè)備0的情況。第25、28、31行，分別對(duì)應(yīng)主設(shè)備0、主設(shè)備2和主設(shè)備1的請(qǐng)求，通過(guò)if、else語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)。第27、30行，主設(shè)備0和主設(shè)備2的請(qǐng)求需要暫停流水線(xiàn)，這里只需要暫停PC階段，讓譯碼和執(zhí)行階段繼續(xù)執(zhí)行。

第3647行，這是已經(jīng)授權(quán)給主設(shè)備1的情況，和第2435行的操作是類(lèi)似的。

第4859行，這是已經(jīng)授權(quán)給主設(shè)備2的情況，和第2435行的操作是類(lèi)似的。

注意：RIB總線(xiàn)上不同的主設(shè)備切換是需要一個(gè)時(shí)鐘周期的，因此如果想要在執(zhí)行階段讀取到外設(shè)的數(shù)據(jù)，則需要在譯碼階段就發(fā)出總線(xiàn)訪問(wèn)請(qǐng)求。

中斷

中斷(中斷返回)本質(zhì)上也是一種跳轉(zhuǎn)，只不過(guò)還需要附加一些讀寫(xiě)CSR寄存器的操作。

RISC-V中斷分為兩種類(lèi)型，一種是同步中斷，即ECALL、EBREAK等指令所產(chǎn)生的中斷，另一種是異步中斷，即GPIO、UART等外設(shè)產(chǎn)生的中斷。

對(duì)于中斷模塊設(shè)計(jì)，一種簡(jiǎn)單的方法就是當(dāng)檢測(cè)到中斷(中斷返回)信號(hào)時(shí)，先暫停整條流水線(xiàn)，設(shè)置跳轉(zhuǎn)地址為中斷入口地址，然后讀、寫(xiě)必要的CSR寄存器(mstatus、mepc、mcause等)，等讀寫(xiě)完這些CSR寄存器后取消流水線(xiàn)暫停，這樣處理器就可以從中斷入口地址開(kāi)始取指，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。

下面看tinyriscv的中斷是如何設(shè)計(jì)的。中斷模塊所在文件：rtl/core/clint.v

輸入輸出信號(hào)列表如下：

先看中斷模塊是怎樣判斷有中斷信號(hào)產(chǎn)生的，如下代碼：

 1...
 2always@(*)begin
 3if(rst==`RstEnable)begin
 4int_state=S_INT_IDLE;
 5endelsebegin
 6if(inst_i==`INST_ECALL||inst_i==`INST_EBREAK)begin
 7int_state=S_INT_SYNC_ASSERT;
 8endelseif(int_flag_i!=`INT_NONE&&global_int_en_i==`True)begin
 9int_state=S_INT_ASYNC_ASSERT;
10endelseif(inst_i==`INST_MRET)begin
11int_state=S_INT_MRET;
12endelsebegin
13int_state=S_INT_IDLE;
14end
15end
16end
17...

第3~4行，復(fù)位后的狀態(tài)，默認(rèn)沒(méi)有中斷要處理。

第6~7行，判斷當(dāng)前指令是否是ECALL或者EBREAK指令，如果是則設(shè)置中斷狀態(tài)為S_INT_SYNC_ASSERT，表示有同步中斷要處理。

第8~9行，判斷是否有外設(shè)中斷信號(hào)產(chǎn)生，如果是則設(shè)置中斷狀態(tài)為S_INT_ASYNC_ASSERT，表示有異步中斷要處理。

第10~11行，判斷當(dāng)前指令是否是MRET指令，MRET指令是中斷返回指令。如果是，則設(shè)置中斷狀態(tài)為S_INT_MRET。

下面就根據(jù)當(dāng)前的中斷狀態(tài)做不同處理（讀寫(xiě)不同的CSR寄存器），代碼如下：

 1...
 2always@(posedgeclk)begin
 3if(rst==`RstEnable)begin
 4csr_state<=?S_CSR_IDLE;
 5????????????cause?<=?`ZeroWord;
 6????????????inst_addr?<=?`ZeroWord;
 7????????end?else?begin
 8????????????case?(csr_state)
 9????????????????S_CSR_IDLE:?begin
10????????????????????if?(int_state?==?S_INT_SYNC_ASSERT)?begin
11????????????????????????csr_state?<=?S_CSR_MEPC;
12????????????????????????inst_addr?<=?inst_addr_i;
13????????????????????????case?(inst_i)
14????????????????????????????`INST_ECALL:?begin
15????????????????????????????????cause?<=?32'd11;
16????????????????????????????end
17????????????????????????????`INST_EBREAK:?begin
18????????????????????????????????cause?<=?32'd3;
19????????????????????????????end
20????????????????????????????default:?begin
21????????????????????????????????cause?<=?32'd10;
22????????????????????????????end
23????????????????????????endcase
24????????????????????end?else?if?(int_state?==?S_INT_ASYNC_ASSERT)?begin
25????????????????????????//?定時(shí)器中斷
26????????????????????????cause?<=?32'h80000004;
27????????????????????????csr_state?<=?S_CSR_MEPC;
28????????????????????????inst_addr?<=?inst_addr_i;
29????????????????????//?中斷返回
30????????????????????end?else?if?(int_state?==?S_INT_MRET)?begin
31????????????????????????csr_state?<=?S_CSR_MSTATUS_MRET;
32????????????????????end
33????????????????end
34????????????????S_CSR_MEPC:?begin
35????????????????????csr_state?<=?S_CSR_MCAUSE;
36????????????????end
37????????????????S_CSR_MCAUSE:?begin
38????????????????????csr_state?<=?S_CSR_MSTATUS;
39????????????????end
40????????????????S_CSR_MSTATUS:?begin
41????????????????????csr_state?<=?S_CSR_IDLE;
42????????????????end
43????????????????S_CSR_MSTATUS_MRET:?begin
44????????????????????csr_state?<=?S_CSR_IDLE;
45????????????????end
46????????????????default:?begin
47????????????????????csr_state?<=?S_CSR_IDLE;
48????????????????end
49????????????endcase
50????????end
51????end
52...

第3~6行，CSR狀態(tài)默認(rèn)處于S_CSR_IDLE。

第1023行，當(dāng)CSR處于S_CSR_IDLE時(shí)，如果中斷狀態(tài)為S_INT_SYNC_ASSERT，則在第11行將CSR狀態(tài)設(shè)置為S_CSR_MEPC，在第12行將當(dāng)前指令地址保存下來(lái)。在第1323行，根據(jù)不同的指令類(lèi)型，設(shè)置不同的中斷碼(Exception Code)，這樣在中斷服務(wù)程序里就可以知道當(dāng)前中斷發(fā)生的原因了。

第24~28行，目前tinyriscv只支持定時(shí)器這個(gè)外設(shè)中斷。

第30~31行，如果是中斷返回指令，則設(shè)置CSR狀態(tài)為S_CSR_MSTATUS_MRET。

第34~48行，一個(gè)時(shí)鐘切換一下CSR狀態(tài)。

接下來(lái)就是寫(xiě)CSR寄存器操作，需要根據(jù)上面的CSR狀態(tài)來(lái)寫(xiě)。

 1...
 2//發(fā)出中斷信號(hào)前，先寫(xiě)幾個(gè)CSR寄存器
 3always@(posedgeclk)begin
 4if(rst==`RstEnable)begin
 5we_o<=?`WriteDisable;
 6????????????waddr_o?<=?`ZeroWord;
 7????????????data_o?<=?`ZeroWord;
 8????????end?else?begin
 9????????????case?(csr_state)
10????????????????//?將mepc寄存器的值設(shè)為當(dāng)前指令地址
11????????????????S_CSR_MEPC:?begin
12????????????????????we_o?<=?`WriteEnable;
13????????????????????waddr_o?<=?{20'h0,?`CSR_MEPC};
14????????????????????data_o?<=?inst_addr;
15????????????????end
16????????????????//?寫(xiě)中斷產(chǎn)生的原因
17????????????????S_CSR_MCAUSE:?begin
18????????????????????we_o?<=?`WriteEnable;
19????????????????????waddr_o?<=?{20'h0,?`CSR_MCAUSE};
20????????????????????data_o?<=?cause;
21????????????????end
22????????????????//?關(guān)閉全局中斷
23????????????????S_CSR_MSTATUS:?begin
24????????????????????we_o?<=?`WriteEnable;
25????????????????????waddr_o?<=?{20'h0,?`CSR_MSTATUS};
26????????????????????data_o?<=?{csr_mstatus[31:4],?1'b0,?csr_mstatus[2:0]};
27????????????????end
28????????????????//?中斷返回
29????????????????S_CSR_MSTATUS_MRET:?begin
30????????????????????we_o?<=?`WriteEnable;
31????????????????????waddr_o?<=?{20'h0,?`CSR_MSTATUS};
32????????????????????data_o?<=?{csr_mstatus[31:4],?csr_mstatus[7],?csr_mstatus[2:0]};
33????????????????end
34????????????????default:?begin
35????????????????????we_o?<=?`WriteDisable;
36????????????????????waddr_o?<=?`ZeroWord;
37????????????????????data_o?<=?`ZeroWord;
38????????????????end
39????????????endcase
40????????end
41????end
42...

第11~15行，寫(xiě)mepc寄存器。

第17~21行，寫(xiě)mcause寄存器。

第23~27行，關(guān)閉全局異步中斷。

第29~33行，寫(xiě)mstatus寄存器。

最后就是發(fā)出中斷信號(hào)，中斷信號(hào)會(huì)進(jìn)入到執(zhí)行階段。

 1...
 2//發(fā)出中斷信號(hào)給ex模塊
 3always@(posedgeclk)begin
 4if(rst==`RstEnable)begin
 5int_assert_o<=?`INT_DEASSERT;
 6????????????int_addr_o?<=?`ZeroWord;
 7????????end?else?begin
 8????????????//?發(fā)出中斷進(jìn)入信號(hào).寫(xiě)完mstatus寄存器才能發(fā)
 9????????????if?(csr_state?==?S_CSR_MSTATUS)?begin
10????????????????int_assert_o?<=?`INT_ASSERT;
11????????????????int_addr_o?<=?csr_mtvec;
12????????????//?發(fā)出中斷返回信號(hào)
13????????????end?else?if?(csr_state?==?S_CSR_MSTATUS_MRET)?begin
14????????????????int_assert_o?<=?`INT_ASSERT;
15????????????????int_addr_o?<=?csr_mepc;
16????????????end?else?begin
17????????????????int_assert_o?<=?`INT_DEASSERT;
18????????????????int_addr_o?<=?`ZeroWord;
19????????????end
20????????end
21????end
22...

有兩種情況需要發(fā)出中斷信號(hào)，一種是進(jìn)入中斷，另一種是退出中斷。

第9~12行，寫(xiě)完mstatus寄存器后發(fā)出中斷進(jìn)入信號(hào)，中斷入口地址就是mtvec寄存器的值。

第13~15行，發(fā)出中斷退出信號(hào)，中斷退出地址就是mepc寄存器的值。

JTAG

JTAG作為一種調(diào)試接口，在處理器設(shè)計(jì)里算是比較大而且復(fù)雜、卻不起眼的一個(gè)模塊，絕大部分開(kāi)源處理器核都沒(méi)有JTAG(調(diào)試)模塊。但是為了完整性，tinyriscv還是加入了JTAG模塊，還單獨(dú)為JTAG寫(xiě)了一篇文章《深入淺出RISC-V調(diào)試》，感興趣的同學(xué)可以去看一下，這里不再單獨(dú)介紹了。要明白JTAG模塊的設(shè)計(jì)原理，必須先看懂RISC-V的debug spec。

RTL仿真驗(yàn)證

寫(xiě)完處理器代碼后，怎么證明所寫(xiě)的處理器是能正確執(zhí)行指令的呢？這時(shí)就需要寫(xiě)testbench來(lái)測(cè)試了。其實(shí)在寫(xiě)代碼的時(shí)候就應(yīng)該在頭腦里進(jìn)行仿真。這里并沒(méi)有使用ModelSim這些軟件進(jìn)行仿真，而是使用了一個(gè)輕量級(jí)的iverilog和vvp工具。

在寫(xiě)testbench文件時(shí)，有兩點(diǎn)需要注意的，第一點(diǎn)就是在testbench文件里加上讀指令文件的操作：

1initialbegin
2$readmemh("inst.data",tinyriscv_soc_top_0.u_rom._rom);
3end

第2行代碼的作用就是將inst.data文件讀入到rom模塊里，inst.data里面的內(nèi)容就是一條條指令，這樣處理器開(kāi)始執(zhí)行時(shí)就可以從rom里取到指令。

第二點(diǎn)就是，在仿真期間將仿真波形dump出到某一個(gè)文件里：

1initialbegin
2$dumpfile("tinyriscv_soc_tb.vcd");
3$dumpvars(0,tinyriscv_soc_tb);
4end

這樣仿真波形就會(huì)被dump出到tinyriscv_soc_tb.vcd文件，使用gtkwave工具就可以查看波形了。

審核編輯：郭婷