diff --git a/.gitignore b/.gitignore index 1854b84..883a094 100644 --- a/.gitignore +++ b/.gitignore @@ -1,5 +1,4 @@ prj/simulation/icarus/ user/src/test.v user/sim/wave.vcd -user/sim/testbench.v -img \ No newline at end of file +user/sim/testbench.v \ No newline at end of file diff --git a/.vscode/settings.json b/.vscode/settings.json index 32cfc61..7bde867 100644 --- a/.vscode/settings.json +++ b/.vscode/settings.json @@ -1,5 +1,10 @@ { "files.watcherExclude": { "**/target": true + }, + "markdownlint.config": { + "MD024": { + "siblings_only": true + } } } \ No newline at end of file diff --git a/chisel/playground/src/pipeline/decoder/Issue.scala b/chisel/playground/src/pipeline/decoder/Issue.scala index 2324e52..50bbea7 100644 --- a/chisel/playground/src/pipeline/decoder/Issue.scala +++ b/chisel/playground/src/pipeline/decoder/Issue.scala @@ -31,11 +31,10 @@ class Issue(implicit val cpuConfig: CpuConfig) extends Module with HasCSRConst { val instFifo_invalid = io.instFifo.empty || io.instFifo.almost_empty // 结构冲突 - val mem_conflict = inst0.fusel === FuType.lsu && inst1.fusel === FuType.lsu - val mul_conflict = inst0.fusel === FuType.mdu && inst1.fusel === FuType.mdu - val div_conflict = inst0.fusel === FuType.mdu && inst1.fusel === FuType.mdu - val csr_conflict = inst0.fusel === FuType.csr && inst1.fusel === FuType.csr - val struct_conflict = mem_conflict || mul_conflict || div_conflict || csr_conflict + val lsu_conflict = inst0.fusel === FuType.lsu && inst1.fusel === FuType.lsu // 访存单元最大支持1条指令的load和store + val mdu_conflict = inst0.fusel === FuType.mdu && inst1.fusel === FuType.mdu // 乘除单元最大支持1条指令的乘除法 + val csr_conflict = inst0.fusel === FuType.csr && inst1.fusel === FuType.csr // csr单元最大支持1条指令的读写 + val struct_conflict = lsu_conflict || mdu_conflict || csr_conflict // 写后读冲突 val load_stall = @@ -45,7 +44,7 @@ class Issue(implicit val cpuConfig: CpuConfig) extends Module with HasCSRConst { io.execute(1).mem_wreg && io.execute(1).reg_waddr.orR && (inst1.src1_ren && inst1.src1_raddr === io.execute(1).reg_waddr || inst1.src2_ren && inst1.src2_raddr === io.execute(1).reg_waddr) - val raw_reg = + val raw_reg = // inst1的源操作数是inst0的目的操作数 inst0.reg_wen && inst0.reg_waddr.orR && (inst0.reg_waddr === inst1.src1_raddr && inst1.src1_ren || inst0.reg_waddr === inst1.src2_raddr && inst1.src2_ren) diff --git a/doc/RV64.vsdx b/doc/RV64.vsdx deleted file mode 100644 index a3e8b05..0000000 Binary files a/doc/RV64.vsdx and /dev/null differ diff --git a/doc/《数字逻辑与计算机结构》目录.md b/doc/《数字逻辑与计算机结构》目录.md index c72f10c..fee75a3 100644 --- a/doc/《数字逻辑与计算机结构》目录.md +++ b/doc/《数字逻辑与计算机结构》目录.md @@ -81,7 +81,7 @@ #### 三、差分测试调试方法 -#### 实验 12 实现 R 型运算类指令的理想流水线设计实验 +#### 实验 9 实现 R 型运算类指令的理想流水线设计实验 ##### 实验目的 @@ -112,7 +112,7 @@ 1. -#### 实验 13 实现 I 型和 U 型运算类指令的理想流水线设计实验 +#### 实验 10 实现 I 型和 U 型运算类指令的理想流水线设计实验 ##### 实验目的 @@ -129,7 +129,7 @@ 使用没有数据相关的测试集对其处理器进行测试，用于验证指令的正确性 -#### 实验 13 实现乘除法指令的理想流水线设计实验 +#### 实验 11 实现乘除法指令的理想流水线设计实验 ##### 实验目的 @@ -147,7 +147,7 @@ 实现 M 拓展，在 exe 级增加 FU 选择 -#### 实验 14 实现访存指令的理想流水线设计实验 +#### 实验 12 实现访存指令的理想流水线设计实验 ##### 实验目的 @@ -166,7 +166,7 @@ 在 mem 级增加 lsu -#### 实验 15 实现转移指令的理想流水线设计实验 +#### 实验 13 实现转移指令的理想流水线设计实验 ##### 实验目的 @@ -185,7 +185,7 @@ 转移指令可以设计在 id 级也可以实现在 exe 级 -#### 实验 16 气泡流水线设计实验 +#### 实验 14 气泡流水线设计实验 ##### 实验目的 @@ -232,7 +232,7 @@ 保证后一级无法运行时，前一级也无法运行，即可完成阻塞 -#### 实验 17 使用数据前递解决冲突的流水线设计实验 +#### 实验 15 使用数据前递解决冲突的流水线设计实验 - 数据前递的方式 @@ -244,38 +244,38 @@ 完成数据相关处理后，使用有数据相关的数据集进行测试 -#### 实验 18 实现 CSR 指令的流水线设计实验 +#### 实验 16 实现 CSR 指令的流水线设计实验 - 实现 M 模式 - 增加 CSR 指令 - 在 exe 级增加 fu 选择 -#### 实验 19 例外和中断的支持 +#### 实验 17 例外和中断的支持 - 可以先实现 ecall、eret、ebreak 指令，再实现别的例外 - 实现 M 和 U 模式 - 截止这里应该已经完成了 RV64 的 I、M、Zicsr 指令集 -#### 实验 20 支持 AXI 总线的流水线互连设计实验 +#### 实验 18 支持 AXI 总线的流水线互连设计实验 - 将现有的 sram 接口改为类 sram 接口 - 再设计一个类 sram 转 AXI 协议转换桥 - 通过 AXI 随机延迟验证 -#### 实验 21 流水线 CPU 访存提速设计实验 +#### 实验 19 流水线 CPU 访存提速设计实验 - 先设计 cache 模块 - 然后实现 icache，调整总线接口 - 实现 fence.i 指令 - 跑性能测试程序 -#### 实验 22 流水线 CPU 分支预测设计实验 +#### 实验 20 流水线 CPU 分支预测设计实验 -#### 实验 23 动态顺序双发射流水线设计实验 +#### 实验 21 动态顺序双发射流水线设计实验 -#### 实验 24 支持虚实地址转换的超标量流水线设计实验 +#### 实验 22 支持虚实地址转换的超标量流水线设计实验 - 增加 MMU、TLB，实现虚实地址转换，使用 SV39 标准 - 增加 S 相关的 CSR diff --git a/doc/数字电路实验/全加器/img/全加器.svg b/doc/数字电路实验/全加器/img/全加器.svg new file mode 100644 index 0000000..fd77ac3 --- /dev/null +++ b/doc/数字电路实验/全加器/img/全加器.svg @@ -0,0 +1 @@ +
FA
FA
A
A
B
B
Cin
Cin
S
S
Cout
CoutText is not SVG - cannot display \ No newline at end of file diff --git a/doc/数字电路实验/全加器/img/全加器电路图.svg b/doc/数字电路实验/全加器/img/全加器电路图.svg new file mode 100644 index 0000000..ad02ece --- /dev/null +++ b/doc/数字电路实验/全加器/img/全加器电路图.svg @@ -0,0 +1 @@ +
XOR
XOR
AND
AND
OR
OR
AND
AND
XOR
XOR
Cin
Cin
A
A
B
B
S
S
Cout
CoutText is not SVG - cannot display \ No newline at end of file diff --git a/doc/数字电路实验/全加器/img/全加器真值表.png b/doc/数字电路实验/全加器/img/全加器真值表.png new file mode 100644 index 0000000..60d061a Binary files /dev/null and b/doc/数字电路实验/全加器/img/全加器真值表.png differ diff --git a/doc/数字电路实验/加减法器/img/加减法器.svg b/doc/数字电路实验/加减法器/img/加减法器.svg new file mode 100644 index 0000000..f3dfceb --- /dev/null +++ b/doc/数字电路实验/加减法器/img/加减法器.svg @@ -0,0 +1 @@ +
Adder/Subtracter
Adder/Subtracter
$$Cout$$
$$Cin$$
$$ZF$$
$$CF$$
$$\overline{Add}/Sub$$
$$\left[3:0\right]\,A$$
$$\left[3:0\right]\,B$$
$$\left[3:0\right]\,Y$$Text is not SVG - cannot display \ No newline at end of file diff --git a/doc/数字电路实验/多路数据选择器/img/框图.svg b/doc/数字电路实验/多路数据选择器/img/框图.svg new file mode 100644 index 0000000..c1d50f6 --- /dev/null +++ b/doc/数字电路实验/多路数据选择器/img/框图.svg @@ -0,0 +1 @@ +
MUX
MUX
[7:0] A
[7:0] A
[7:0] B
[7:0] B
[7:0] C
[7:0] C
[7:0] D
[7:0] D
[7:0] Y
[7:0] Y
[1:0] S
[1:0] SText is not SVG - cannot display \ No newline at end of file diff --git a/doc/数字电路实验/多路数据选择器/img/真值表.png b/doc/数字电路实验/多路数据选择器/img/真值表.png new file mode 100644 index 0000000..207ba8f Binary files /dev/null and b/doc/数字电路实验/多路数据选择器/img/真值表.png differ diff --git a/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/MUX2.svg b/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/MUX2.svg new file mode 100644 index 0000000..da79d8f --- /dev/null +++ b/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/MUX2.svg @@ -0,0 +1 @@ +
MUX
MUX
0
0
1
1
in0
in0
in1
in1
s
s
out
outText is not SVG - cannot display \ No newline at end of file diff --git a/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/MUX2门电路.svg b/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/MUX2门电路.svg new file mode 100644 index 0000000..33f7cd1 --- /dev/null +++ b/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/MUX2门电路.svg @@ -0,0 +1 @@ +
AND
AND
AND
AND
OR
OR
S
S
in0
in0
in1
in1
out
out
NOT
NOTText is not SVG - cannot display \ No newline at end of file diff --git a/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/MUX4.svg b/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/MUX4.svg new file mode 100644 index 0000000..a7817d4 --- /dev/null +++ b/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/MUX4.svg @@ -0,0 +1 @@ +
MUX
MUX
0
0
1
1
W0
W0
W1
W1
S0
S0
out0
out0
MUX
MUX
0
0
1
1
W2
W2
W3
W3
out1
out1
MUX
MUX
0
0
1
1
S1
S1
out
outText is not SVG - cannot display \ No newline at end of file diff --git a/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/与门.svg b/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/与门.svg new file mode 100644 index 0000000..fce5e86 --- /dev/null +++ b/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/与门.svg @@ -0,0 +1 @@ +
and1
and1
and2
and2
and3
and3
a
a
b
b
c
c
d
d
y1
y1
y2
y2
y
yText is not SVG - cannot display \ No newline at end of file diff --git a/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/整数常量.png b/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/整数常量.png new file mode 100644 index 0000000..da23199 Binary files /dev/null and b/doc/数字电路实验/认识Verilog/img/整数常量.png differ diff --git a/doc/数字电路实验/译码器/img/真值表.png b/doc/数字电路实验/译码器/img/真值表.png new file mode 100644 index 0000000..50753af Binary files /dev/null and b/doc/数字电路实验/译码器/img/真值表.png differ diff --git a/doc/数字电路实验/译码器/img/译码器.svg b/doc/数字电路实验/译码器/img/译码器.svg new file mode 100644 index 0000000..c3a6919 --- /dev/null +++ b/doc/数字电路实验/译码器/img/译码器.svg @@ -0,0 +1 @@ +
Decoder
Decoder
$$A$$
$$B$$
$$C$$
$$Y_0$$
$$Y_1$$
$$Y_2$$
$$Y_3$$
$$Y_4$$
$$Y_5$$
$$Y_6$$
$$Y_7$$Text is not SVG - cannot display \ No newline at end of file diff --git a/doc/计算机结构设计实验/RV64.vsdx b/doc/计算机结构设计实验/RV64.vsdx new file mode 100644 index 0000000..39716fa Binary files /dev/null and b/doc/计算机结构设计实验/RV64.vsdx differ diff --git a/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107144041910.png b/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107144041910.png new file mode 100644 index 0000000..0bc0043 Binary files /dev/null and b/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107144041910.png differ diff --git a/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107145304393.png b/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107145304393.png new file mode 100644 index 0000000..daf6cd5 Binary files /dev/null and b/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107145304393.png differ diff --git a/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107150508299.png b/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107150508299.png new file mode 100644 index 0000000..3f1d276 Binary files /dev/null and b/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107150508299.png differ diff --git a/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107150933149.png b/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107150933149.png new file mode 100644 index 0000000..567908e Binary files /dev/null and b/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107150933149.png differ diff --git a/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107161239749.png b/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107161239749.png new file mode 100644 index 0000000..893a54c Binary files /dev/null and b/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107161239749.png differ diff --git a/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.md b/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.md new file mode 100644 index 0000000..c05f2a6 --- /dev/null +++ b/doc/计算机结构设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验/实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.md @@ -0,0 +1,52 @@ +# 实现 R 型运算类指令的理想流水线设计实验 + +## 实验目的 + +1. 掌握 R 型运算类指令的数据通路 +2. 掌握经典单发射五级流水线的设计方法 +3. 掌握流水线 CPU 设计的编程基本框架 + +## 实验原理与实验内容 + +### 单周期 CPU 与流水线 CPU 结构的差异 + +RISC-V 单周期 CPU 设计实现简单，控制器部分是纯组合逻辑电路，但该 CPU 所有指令执行时间均是一个相同的周期，即以速度最慢的指令作为设计其时钟周期的依据。如图 9.1 所示，单周期 CPU 的时钟频率取决于数据通路中的关键路径（最长路径），所以单周期 CPU 效率较低，性能不佳，现代处理器中已不再采用单周期方式，取而代之的是多周期设计方式。而多周期 CPU 设计中流水线 CPU 设计是目前的主流技术。 + +![图 9.1 单周期CPU](实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107161239749.png) + +![图 9.2 单周期CPU逻辑划分](实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107150508299.png) + +将电路流水线化的初衷是缩短时序器件之间组合逻辑关键路径的时延，在不降低电路处理吞吐率的情况下提升电路的时钟频率。从电路设计最终的实现形式来看，是将一段组合逻辑按照功能划分为若干阶段，在各功能阶段的组合逻辑之间插入时序器件（通常是触发器），前一阶段的组合逻辑输出接入时序器件的输入，后一阶段的组合逻辑输入来自这些时序器件的输出。 + +而将电路流水化最困难的地方是决定将单周期 CPU 中的组合逻辑划分为多少个阶段以及各个阶段包含哪些功能。这个设计决策需要结合 CPU 产品的性能（含主频）、功耗、面积指标以及具体采用的工艺特性来完成。对于初学者而言，这部分设计涉及的内容过多、过细、过深，因此我们将直接采用经典的单发射五级流水线划分。所划分的五级流水从前往后依次为：取指阶段（Fetch）、译码阶段（Decoder）、执行阶段（EXE）、访存阶段（MEM）和写回阶段（WB）。 + +1. 取指阶段的主要功能是将指令取回。 +2. 译码阶段的主要功能是解析指令生成控制信号并读取通用寄存器堆生成源操作数。 +3. 执行阶段的主要功能是对源操作数进行算术逻辑类指令的运算或者访存指令的地址计算。 +4. 访存阶段的主要功能是取回访存的结果。 +5. 写回阶段的主要功能是将结果写入通用寄存器堆。 + +结合这个流水线阶段的划分方案，我们将单周期 CPU 的数据通路拆分为五段（如图 9.2 所示），并在各段之间加入触发器作为流水线缓存（如图 9.3 所示）。 + +![图 9.3 流水线CPU](实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107150933149.png) + +所有部件采用同一个系统时钟 clock 来同步，每到来一个时钟 clock，各段逻辑功能部件处理完毕的数据会锁存到下一级的流水线缓存中，作为下一段的输入数据，指令执行进入下一阶段。clock 频率的取决于流水线缓存两级间的最大逻辑延迟。图 9.3 展示了 RISC-V 流水线的逻辑架构。 + +经过之前的数字电路设计实验的学习，你应该掌握了数字逻辑电路设计的一般性方法。在计算机结构设计实验中，我们要设计的 CPU 也是一个数字逻辑电路，它的设计也应该遵循数字逻辑电路设计的一般性方法。CPU 不但要完成运算，也要维持自身的状态，所以 CPU 这个数字逻辑电路一定是既有组合逻辑电路又有时序逻辑电路的。CPU 输入的、运算的、存储的、输出的数据都在组合逻辑电路和时序逻辑电路上流转，我们常称这些逻辑电路为数据通路（Datapath）。因此，要设计 CPU 这个数字逻辑电路，首要的工作就是设计数据通路。同时，因为数据通路中会有多路选择器、时序逻辑器件，所以还要有相应的控制信号，产生这些控制信号的逻辑称为控制逻辑。所以，从宏观的视角来看，设计一个 CPU 就是设计它的“数据通路+控制逻辑”。 + +那么，怎么根据指令系统规范中的定义设计出“数据通路+控制逻辑”呢？基本方法是：对指令系统中定义的指令逐条进行功能分解，得到一系列操作和操作的对象。显然，这些操作和操作的对象必然对应其各自的数据通路，又因为指令间存在一些相同或相近的操作和操作对象，所以我们可以只设计一套数据通路供多个指令公用。对于确实存在差异无法共享数据通路的情况，只能各自设计一套，再用多路选择器从中选择出所需的结果。接下来，我们将遵循这个一般性方法，具体介绍如何分析指令的功能以及如何设计出数据通路。 + +![交互接口](实现R型运算类指令的理想流水线设计实验.assets/image-20240107144041910.png) + +## 实验要求 + +1. 根据本实验提供的五级流水线编程框架，在流水线 CPU 中添加以下指令：ADD、SLL、SLT 、SLTU、XOR 、SRL 、OR、AND 、SUB 、SRA +2. 通过本实验提供的所有测试用例 + +## 实验步骤 + +1. 如何打开工程文件进行编程 +2. 如何使用模拟器进行仿真 +3. 如何提交测评 + +## 思考与探索