Anccend/risc-v-cpu
1
0
Fork 0
Code Issues Pull Requests Actions Packages Projects Releases Wiki Activity
10 Commits 3 Branches 0 Tags
4a81685066de5015366510ec6ab94363824415d8
Commit Graph
8 Commits
Author SHA1 Message Date
Anccend 4a81685066 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。
 2026-09-13 18:45:17 +08:00
Anccend 556fbe9530 目录整理：RTL/上板/仿真分开存放，测试 ROM 镜像归入 testbench/rom 
- rtl/：12 个可综合的处理器源文件（顶层 cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v，其余为各功能单元）。
- board/：板级顶层 cpu21_board_top.v、引脚约束 cpu21_board_top.xdc、片内 ROM 初始化
  cpu21_board_rom.vh 与短延时版本 cpu21_board_rom_fast.vh。
- testbench/：保留三个测试平台；ROM 镜像统一放到 testbench/rom/，测试程序源码与期望值
  仍在 testbench/programs/（其中的 .hex 是 RARS 原始输出，与 rom/ 里改过显示方式的版本
  内容不同，两者都保留）。
- 同步更新：两个测试平台的 ROM 探测路径改为 testbench/rom/（并在头注释里补充说明：
  PowerShell 会把 -generic_top/--testplusarg 参数里的 "=" 拆开、Verilog 字符串中的
  路径要用正斜杠）；tools/hex2vh.py 的用法示例指向 board/cpu21_board_top.v；
  说明文档新增“目录结构”一节并同步所有路径引用；.gitignore 补充 .Xil/。
- 清理：删除 *.hex.lst 中间文件与空的 .Xil/ 目录。
- 验证：isa_test 24/24、lui_test 4/4、mmio_test 5/5 三项回归通过；两个基线（5560 / 6003
  周期）与整理前一致；板级仿真（默认 ROM 首次写入 LED=0001、快速 ROM 跑马灯循环）正常；
  Vivado 工程源文件路径同步到 rtl/ 与 board/ 后综合通过（LUT 5276、23 个引脚，与整理前
  完全一致），因此已有 bit 文件仍然有效。
 2026-09-13 18:06:21 +08:00
Anccend 1ae6fe6ebe 上板支持：Nexys4DDR 顶层、片内 ROM/RAM 与 MMIO 跑马灯演示 
- 新增 cpu21_board_top.v：上板顶层。处理器顶层暴露了 775 位调试端口，直接作为
  实现顶层会因 IO 超限无法布局布线（[Place 30-415] IO Placement failed due to
  overutilization），本模块只引出板上真正需要的 23 个引脚
  （clk100 / rst_n / go / irq_sw[2:0] / led[15:0] / led_we）。
  * 100 MHz 经 CLK_DIV=16 分频到 6.25 MHz：ALU 的除法/取余是组合电路，
    100 MHz 下 WNS=-84.126 ns（325 级逻辑）无法收敛，分频后 WNS=+6.083 ns。
  * 分频时钟由 Vivado 自动插入 BUFG；RTL 中不例化原语，以便跨工具仿真。
  * 复位同步器、片内 ROM（1024x32，组合读，`include cpu21_board_rom.vh`）、
    片内 RAM（1024x32，字节写使能，只响应地址 <4KB，避免与 MMIO 地址别名）。
- 新增 cpu21_board_top.xdc：Nexys4DDR 引脚约束 + create_generated_clock。
- 新增 tools/hex2vh.py：把 hex 机器码转成 rom[i] = 32'h...; 初始化包含文件。
- 新增 testbench/programs/board_demo.asm 与 testbench/tb_board_top.v：
  16 步跑马灯演示程序（通过 MMIO 写 LED）。仿真验证：默认 ROM 下首次写入
  LED=0001，快速 ROM 下完整序列 0001..8000 循环。
- 新增 cpu21_board_rom.vh / cpu21_board_rom_fast.vh，由 BOARD_ROM_FAST 宏选择。
- tools/rv_asm.py：读源文件时兼容带 BOM 的 UTF-8。
- 测试资源：补齐 lui_test.expected；修正 mmio_test.expected（print 由
  lui+sw 实现，本身就是一次 LED 写，共 5 次）。三个回归全部通过：
  isa_test 24/24、lui_test 4/4、mmio_test 5/5。
- .gitignore：忽略 _tmp/、_vivado/、*.vcd、*.pb、*.hex.lst。
- 说明文档：模块划分表补上上板相关模块，新增“上板（Nexys4DDR + Vivado）”
  章节（引脚分配、分频原因、ROM/RAM 组织、ROM 生成流程、Vivado 工程设置、
  实现结果）。

实现结果：synth_design / route_design / write_bitstream 全部完成，
LUT 5400 (8.52%)、LUTRAM 512、FF 2507、DSP 12、IOB 23 (10.95%)，
bit 文件为 pipelined-cpu/pipelined-cpu.runs/impl_1/cpu21_board_top.bit
（Vivado 工程目录被 .gitignore 排除，不入库）。
 2026-09-13 17:37:44 +08:00
Anccend 192e28795a 实现 MMIO，LED 显示从 ecall 改为内存映射存储 
cpu21_mmio.v（新增）
- 在 MEM 级做地址译码，把外设寄存器映射进数据地址空间；目前实现 LED 数据
  寄存器（地址由顶层 parameter LED_ADDR 指定，默认 0x0000_1000，位于 4 KB
  数据 RAM 之外，不会与 RAM 冲突）；
- 地址译码按“字”对齐：同一 32 位寄存器内任意字节偏移都算命中，具体修改
  哪几个字节由 wstrb 决定，因此 sw 写全字、sb 只写单字节（与 RAM 字节写
  语义一致）；
- 读命中时由顶层用 rdata_o 取代 data_rdata_i，从而支持把 LED 值读回；
- led_valid_o 在写入后拉高一拍，作为“本周期有 LED 写入”的指示。

cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v
- 顶层参数新增 LED_ADDR；例化 cpu21_mmio 并新增访存读数据选择
  mem_rdata = mmio_rdata_hit ? mmio_rdata : data_rdata_i（MEM/WB 捕获用它）；
- 删除 ecall 驱动的 LED 逻辑（原 ex_led_event 与 led_data_q/led_valid_q 寄存器
  移入 MMIO 模块），LED 输出端口改由 cpu21_mmio 驱动；
- ecall 保留停机语义：a7==34 的历史“显示”调用保留为无操作，其余（如 a7=10）
  仍置 halted_o。

测试资产
- tools/rv_asm.py：print 伪指令改为“lui t6,LED_ADDR>>12 + sw a0,0(t6)”（写 MMIO
  LED 寄存器，仍需两个字）；新增 sb 支持；文末说明同步更新；
- testbench/programs/mmio_test.asm + mmio_test.expected（新增）：覆盖全字写、
  读回、字节写三种情况；
- isa_test.asm / lui_test.asm 迁移到 MMIO 输出方式；
- 两个 testbench 的 RAM 模型处注明 MMIO 区域不属于 RAM。

验证（xsim，按提交后的正式路径生成 hex）
- mmio_test：4 项输出全部匹配（12345678 / 12345678 / ffffffff / ffff7fff，
  最后一项为 sb 覆盖 led[15:8] 后读回）；
- isa_test：24 项输出与 isa_test.expected 逐项一致；lui_test：4 项输出正确；
- 中断测试程序回归：IRQ1@cyc85、IRQ2@cyc266、IRQ3@cyc447 与改动前一致，
  FINAL 统计完全一致（stalls=11 bubbles=297 cond_taken=648 pred_ok=663
  pred_fail=102，6003 周期）；
- benchmark 长仿真回归：FINAL 统计与改动前完全一致（stalls=3195 bubbles=6955
  cond_taken=8857 pred_ok=9455 pred_fail=1050，60000 周期），且 LED 输出次数为 0，
  确认 ecall 已不再驱动 LED；
- cpu21_mmio.v 已加入 Vivado 工程 sources_1。
 2026-09-13 16:30:57 +08:00
Anccend ccd1b917d0 新增 ISA 验证资产：迷你汇编器 + 指令测试程序 
tools/rv_asm.py
- 极简 RISC-V 汇编器（Python 3，无第三方依赖），支持
  add/sub/and/or/xor/sll/srl/sra/slt/sltu、mul/mulh/mulhsu/mulhu、
  addi/slti/sltiu/xori/ori/andi、slli/srli/srai、lw/sw、
  beq/bne/blt/bge/bltu/bgeu、lui、jal/jalr、ecall、标签与 # 注释；
- 提供 print / halt 两条双字伪指令（分别等价于 addi a7,zero,34 + ecall、
  addi a7,zero,10 + ecall）；
- I 型与访存立即数做 12 位有符号范围检查，越界直接报错，避免静默截断；
- 除 hex 外同时输出 .lst 编码清单，便于与 .asm 逐行核对。

testbench/programs/isa_test.asm + isa_test.expected
- 指令扩展验证程序：sltiu（两个方向）、xor/sll/srl/sra、mul/mulh/mulhu/mulhsu、
  bltu/bge/bgeu 的有符号与无符号区分，以及 bge/bgeu/bltu 三个循环，
  共 24 项 LED 输出，期望值逐行保存在 isa_test.expected。

testbench/programs/lui_test.asm
- LUI 验证程序：0x12345 / 0xfffff / 0x80000 与 lui+addi 组合，共 4 项输出。

另外包含编辑器/格式化工具对 cpu21_riscv_alu.v、cpu21_riscv_branch_unit.v、
cpu21_riscv_decoder.v 的重排（纯格式，语义等价）。

验证（xsim + testbench/tb_no_intr.v，按提交后的正式路径生成 hex）
- isa_test：24 项 LED 输出与 isa_test.expected 逐项一致，143 周期后 halt 停机；
- lui_test：12345000 / fffff000 / 80000000 / 12345678，21 周期后停机；
- 重新编译无 error / warning。
 2026-09-12 19:10:24 +08:00
Anccend 266ec6a049 重构：按功能拆分流水线模块、修复 BLT 指令、注释中文化 
1) 模块拆分（便于单独仿真调试）
   把原来单文件的三模块结构按功能拆成 10 个独立文件，顶层只保留五级流水
   寄存器、子模块例化、PC/IF-ID/ID-EX 控制优先级与对外输出：
     cpu21_riscv_alu.v            组合 ALU（result2 用于 MUL 高位/余数）
     cpu21_bpb_8.v                8 项全相联分支目标缓冲
     cpu21_riscv_decoder.v        ID 级组合译码器
     cpu21_riscv_regfile.v        寄存器堆（写优先旁路）
     cpu21_riscv_forward_unit.v   EX 级前递网络
     cpu21_riscv_store_unit.v     EX 级存储数据对齐（sw/sb）
     cpu21_riscv_branch_unit.v    EX 级控制流裁决
     cpu21_riscv_hazard_unit.v    load-use 冒险与停顿/冲刷判定
     cpu21_riscv_irq_ctrl.v       中断优先级、ustatus/uepc、嵌套返回栈
     cpu21_riscv_perf_counters.v  性能计数器
   已把上述文件加入 Vivado 工程 sources_1；端口、时序与行为经 xsim 对同一
   ROM 逐周期回归验证，统计量完全一致。

2) 修复 BLT 指令（真值表第 28 行：opcode IR[6:2]=0x18、funct3=100、ALU_OP=SLT）
   此前 funct3=100 未译码，blt 被当作空指令执行，于是
   `blt s1,zero,loop` 的循环只执行一次就顺序落到退出代码并停机
   （现象：只输出第一个值后就不再运行）。
     - cpu21_riscv_decoder.v：新增 blt_o，OP_BRANCH 接受 funct3=100，
       并按真值表给出 ALU_SLT（beq/bne 仍为 SUB，bltu 仍为 SLTU）
     - cpu21_riscv_branch_unit.v：新增 blt_i，用有符号比较
       $signed(src1) < $signed(src2) 裁决
     - cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v：新增 idex_blt_q 流水寄存器，
       IF 级 f_is_branch 纳入 funct3=100，使 blt 也参与 BPB 预测
   验证：blt 小程序正确输出 -3/-2/-1 后停机（cond_taken=2）；
   benchmark 第 [4] 段完整输出 fffffff1..ffffffff；
   中断测试程序的中断入口与停留周期与改动前一致。

3) 注释中文化
   - cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v 及全部新增子模块使用中文注释；
   - testbench/tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v 与新增的 tb_no_intr.v
     注释全部译为中文。
   - testbench/tb_no_intr.v：与中断测试平台同框架但不注入 irq 脉冲的对照
     测试平台（修复其 $dumpvars 引用了不存在的模块名，并改用 tb_no_intr.vcd
     避免与另一个 TB 的波形文件互相覆盖）。

4) 其他
   - testbench/tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v 的默认 ROM_FILE 改为
     cpu21_riscv_redirect_int_bpb_rom.hex（中断测试程序）；
   - cpu21_riscv_redirect_int_bpb说明.md 增补"文件与模块划分"章节与 BLT 说明；
   - 真值表.txt 移动到 testbench/programs/ 下。
 2026-09-12 18:48:31 +08:00
Anccend abb2e161af 注释添加和翻译 2026-09-12 16:34:30 +08:00
Anccend 03ac91bf65 初版，Logisim转换Verilog 2026-09-12 13:18:24 +08:00