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。
This commit is contained in:
@@ -13,8 +13,8 @@ main_loop:
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restart:
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addi t1, zero, 1
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delay: # 软件延时，让人眼能看到跑马灯（6.25 MHz 下约 20 ms）
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lui t2, 0xf # 延时计数 0x0000F000
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delay: # 软件延时，让人眼能看到跑马灯（50 MHz 下约 20 ms）
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lui t2, 0x7a # 延时计数 0x0007A000 ≈ 5e5 次循环
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addi t3, zero, 1
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delay_loop:
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sub t2, t2, t3
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@@ -0,0 +1,95 @@
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# 乘除法（多周期单元）测试：每个结果都写给 MMIO 的 LED 寄存器，供测试平台比对。
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# 期望输出顺序见同目录 muldiv_test.expected（共 13 个值）。
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#
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# ① mul 7 * 6 = 42 -> 0000002a
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# ② mul -5 * 4 = -20 -> ffffffec
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# ③ mulh 0x40000000 * 4 高 32 位 -> 00000001
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# ④ mulhu 0xffffffff * 2 高 32 位 -> 00000001
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# ⑤ mulhsu -1 * 0xffffffff 高 32 位 -> ffffffff
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# ⑥ divu 100 / 7 = 14 -> 0000000e
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# ⑦ remu 100 % 7 = 2 -> 00000002
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# ⑧ divu 0xffffffff / 2 = 2147483647 -> 7fffffff
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# ⑨ divu 12345 / 0 除零约定 -> ffffffff
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# ⑩ remu 12345 % 0 除零约定 -> 00003039
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# ⑪ remu 0xffffffff % 16 = 15 -> 0000000f
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# ⑫ mul 0x12345678 * 16 低 32 位 -> 23456780
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# ⑬ mulh 0x12345678 * 0x1000 高 32 位 -> 00000123
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#
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# 用法：python tools/rv_asm.py testbench/programs/muldiv_test.asm testbench/rom/muldiv_test.hex
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# ① mul：有符号乘法的低 32 位
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addi t1, zero, 7
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addi t2, zero, 6
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mul a0, t1, t2
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print
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# ② mul：负乘数（低 32 位）
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addi t1, zero, -5
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addi t2, zero, 4
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mul a0, t1, t2
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print
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# ③ mulh：正数相乘，高 32 位不为 0
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lui t1, 0x40000
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addi t2, zero, 4
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mulh a0, t1, t2
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print
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# ④ mulhu：无符号高位（0xffffffff * 2 = 0x1_fffffffe）
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addi t1, zero, -1
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addi t2, zero, 2
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mulhu a0, t1, t2
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print
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# ⑤ mulhsu：有符号 x 无符号（-1 * 4294967295 = 0xffffffff_00000001）
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addi t1, zero, -1
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addi t2, zero, -1
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mulhsu a0, t1, t2
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print
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# ⑥ divu：普通除法
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addi t1, zero, 100
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addi t2, zero, 7
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divu a0, t1, t2
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print
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# ⑦ remu：普通取余
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remu a0, t1, t2
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print
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# ⑧ divu：无符号大数
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addi t1, zero, -1
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addi t2, zero, 2
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divu a0, t1, t2
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print
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# ⑨ divu：除零（商为全 1）
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lui t1, 0x3
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addi t1, t1, 0x39 # t1 = 12345
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addi t2, zero, 0
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divu a0, t1, t2
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print
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# ⑩ remu：除零（余数为被除数）
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remu a0, t1, t2
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||||
print
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# ⑪ remu：0xffffffff % 16
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addi t1, zero, -1
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addi t2, zero, 16
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remu a0, t1, t2
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||||
print
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# ⑫ mul：0x12345678 * 16 的低 32 位
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lui t1, 0x12345
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addi t1, t1, 0x678
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||||
addi t2, zero, 16
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mul a0, t1, t2
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||||
print
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# ⑬ mulh：0x12345678 * 0x1000 的高 32 位
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lui t2, 0x1
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mulh a0, t1, t2
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||||
print
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halt
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@@ -0,0 +1,13 @@
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||||
0000002a
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ffffffec
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||||
00000001
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||||
00000001
|
||||
ffffffff
|
||||
0000000e
|
||||
00000002
|
||||
7fffffff
|
||||
ffffffff
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||||
00003039
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||||
0000000f
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||||
23456780
|
||||
00000123
|
||||
@@ -0,0 +1,64 @@
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||||
00700313
|
||||
00600393
|
||||
02730533
|
||||
00001FB7
|
||||
00AFA023
|
||||
FFB00313
|
||||
00400393
|
||||
02730533
|
||||
00001FB7
|
||||
00AFA023
|
||||
40000337
|
||||
00400393
|
||||
02731533
|
||||
00001FB7
|
||||
00AFA023
|
||||
FFF00313
|
||||
00200393
|
||||
02733533
|
||||
00001FB7
|
||||
00AFA023
|
||||
FFF00313
|
||||
FFF00393
|
||||
02732533
|
||||
00001FB7
|
||||
00AFA023
|
||||
06400313
|
||||
00700393
|
||||
02735533
|
||||
00001FB7
|
||||
00AFA023
|
||||
02737533
|
||||
00001FB7
|
||||
00AFA023
|
||||
FFF00313
|
||||
00200393
|
||||
02735533
|
||||
00001FB7
|
||||
00AFA023
|
||||
00003337
|
||||
03930313
|
||||
00000393
|
||||
02735533
|
||||
00001FB7
|
||||
00AFA023
|
||||
02737533
|
||||
00001FB7
|
||||
00AFA023
|
||||
FFF00313
|
||||
01000393
|
||||
02737533
|
||||
00001FB7
|
||||
00AFA023
|
||||
12345337
|
||||
67830313
|
||||
01000393
|
||||
02730533
|
||||
00001FB7
|
||||
00AFA023
|
||||
000013B7
|
||||
02731533
|
||||
00001FB7
|
||||
00AFA023
|
||||
00A00893
|
||||
00000073
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||||
@@ -49,7 +49,7 @@ module tb_board_top;
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$display("NOTE: 复位后观察 LED（默认程序首次写入应为 0001）");
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repeat (10) @(posedge clk100);
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rst_n = 1'b1;
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repeat (30000) @(posedge clk100); // 300 us（CPU 时钟经 16 分频，需要更长窗口）
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repeat (30000) @(posedge clk100); // 300 us（CPU 时钟为 clk100/2 = 50 MHz）
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$display("FINAL: LED 变化次数=%0d 当前 LED=%04h", changes, led);
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$finish;
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end
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