乘除法改为多周期时序单元,CPU 时钟从 6.25 MHz 提到 50 MHz

- 新增 rtl/cpu21_riscv_muldiv.v:移位迭代的多周期乘除法单元。
  * 乘法:32 拍移位加法得到 64 位乘积;有符号变体先取操作数绝对值,迭代结束后
    按符号对 64 位乘积取负。
  * 除法:32 拍恢复余数法得到商与余数;除零按 RISC-V 约定(商全 1、余数为被除数)。
  * 一次乘/除独占 EX 共 34 拍(1 拍装载 + 32 拍迭代 + 1 拍定型):期间 ID/EX 保持、
    EX/MEM 插气泡、取指/译码冻结,并屏蔽中断(避免结果未定型就写回 rd)。
- rtl/cpu21_riscv_alu.v:删除组合的 32x32 乘法与除法/取余(原来关键路径约 94 ns、
  325 级逻辑、286 个 CARRY4,是 100 MHz 无法收敛的根因)。ALU_MUL/ALU_DIVU 现在
  只作为“这是乘除法指令”的标识,结果由顶层从 muldiv 选取(wb_sel=3 取 result2 的
  约定保持不变,译码器与写回选择都不用改)。
- rtl/cpu21_riscv_decoder.v:新增 md_op_o(乘除法操作类型),并补上课程真值表里的
  divu(funct3=101)——之前这一项译码缺失,会导致 divu 不写 rd。
- rtl/cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v:ID/EX 增加 md_op;EX 级停留、结果选择与中断
  屏蔽。另外为时序做了三处行为等价的重构(100 MHz 下 WNS 从 -3.54 ns 改善到
  -1.10 ns):
  * JAL/JALR 的链接地址 PC+4 改在 EX 级预先算好并随流水寄存器传递,去掉
    “写回值/前递 → 停机判定 → 流水控制”路径上的两个 32 位加法器;
  * ID/EX 的 payload 时钟使能不再依赖冲刷(只有 valid 位受冲刷控制),把
    “EX 级组合判决 → 流水寄存器时钟使能”这条最长路径缩到只剩 1 位;
  * ex_block_irq 不再包含 ex_redirect_valid / ex_halt_event(它们本身就会让
    flush_younger 有效,中断优先时返回地址由 irq_save_pc 正确给出),切断
    “分支判决 → 中断控制器 → flush”的绕行路径。
- rtl/cpu21_riscv_hazard_unit.v:停顿条件去掉 flush_younger(冲刷由 valid 位与
  PC/IF-ID 的冲刷分支处理,同时发生停顿只会多保持一拍 payload),避免把长路径
  引到 payload 的时钟使能上。
- board/cpu21_board_top.v / .xdc:乘除法已不在关键路径上,分频比从 16 降到 2
  (50 MHz,周期 20 ns)。实测(xc7a100tcsg324-1):CLK_DIV=1(100 MHz)下
  WNS=-1.1 ns,剩余违例路径是 EX 级“分支判决/中断保存 → BPB 更新”,与乘除法无关
  (逻辑只占约 3 ns,其余 ~8 ns 是布线);CLK_DIV=2 时 WNS=+5.109 ns,余量约 25%。
- 上板 ROM 按 50 MHz 重新生成(延时计数 0x7A000 ≈ 20 ms/步,快速版 64 次循环),
  CPU 时钟比改造前快 8 倍。
- tools/rv_asm.py:支持 divu / remu 助记符。新增 testbench/programs/muldiv_test.asm
  与 muldiv_test.expected(13 个用例:mul/mulh/mulhsu/mulhu/divu/remu、负数、
  0xffffffff、除零、0x12345678 大数)。
- 验证:muldiv_test 13/13、isa_test 24/24、lui_test 4/4、mmio_test 5/5 全部 PASS;
  两个基线(5560 / 6003 周期)与改造前的流水统计一致(差异只来自多周期乘除法带来的
  停顿/气泡计数);中断测试仍能正常进入 0x30ac / 0x31e0 / 0x3300 三层嵌套处理程序;
  板级仿真:默认 ROM 首次写入 LED=0001、快速 ROM 跑马灯 0001..8000 循环正常。
- 实现结果:synth_design / route_design / write_bitstream 全部完成,
  LUT 5400 → 3420(5.39%)、DSP 12 → 0、IOB 23,时钟 6.25 MHz → 50 MHz,
  bit 文件已更新。
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2026-09-13 18:45:17 +08:00
parent 556fbe9530
commit 4a81685066
17 changed files with 621 additions and 154 deletions
+7 -5
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@@ -2,14 +2,16 @@
## 引脚编号取自 ConstraintsData/Nexys4DDR_Master.xdc(母版默认全部注释)。
## 只约束 cpu21_board_top 实际使用的端口。
## 100 MHz 板载时钟
## 100 MHz 板载时钟(分频器输入)
set_property -dict { PACKAGE_PIN E3 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { clk100 }]
create_clock -add -name sys_clk_pin -period 10.00 -waveform {0 5} [get_ports { clk100 }]
## CPU 时钟:板上 100 MHz 经 CLK_DIV(=16) 分频
## (与 cpu21_board_top.v 的 CLK_DIV 保持一致;改分频比时这里也要改)
## CPU 时钟:板上 100 MHz 经 CLK_DIV(=2) 分频到 50 MHz
## (与 cpu21_board_top.v 的 CLK_DIV 保持一致;改分频比时这里也要改。
## 乘除法已是多周期单元,不再需要 16 分频;实测 100 MHz 下剩余违例路径是
## EX 级分支判决/中断保存 → BPB 更新,50 MHz 则余量充足)
create_generated_clock -name cpu_clk -source [get_ports { clk100 }] \
-divide_by 16 [get_pins { clk_div_reg/Q }]
-divide_by 2 [get_pins { clk_div_reg/Q }]
## 复位按键(CPU_RESETN,低有效)与"继续运行"按键(BTNC)
set_property -dict { PACKAGE_PIN C12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { rst_n }]
@@ -38,7 +40,7 @@ set_property -dict { PACKAGE_PIN V14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[13
set_property -dict { PACKAGE_PIN V12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[14] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN V11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[15] }]
## LED16_B:MMIO 写入指示(拉长约 2.7 s,CLK_DIV=16 下的 CPU 时钟)
## LED16_B:MMIO 写入指示(拉长约 0.34 s @50 MHz)
set_property -dict { PACKAGE_PIN R12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led_we }]
## 上板调试时可把 MMIO 写入的 LED 寄存器也引到 LED16_R/G,