risc-v-cpu/cpu21_riscv_irq_ctrl.v

`timescale 1ns / 1ps
`default_nettype none

// -----------------------------------------------------------------------------
// 中断控制器 + ustatus/uepc CSR + 嵌套返回栈。
//
// IRQ3 优先级最高，其次 IRQ2，最后 IRQ1；嵌套请求只有优先级高于当前级别
// 才会被接纳。中断入口地址由优先级选出，返回地址保存在 epc_stack 中，
// 当前上下文的活动返回 PC 放在 uepc_q（与课程讲义用 CSRRW 保存/恢复
// uepc 的流程一致）。
// -----------------------------------------------------------------------------
module cpu21_riscv_irq_ctrl #(
    parameter [31:0] IRQ1_VECTOR     = 32'h0000_30ac,
    parameter [31:0] IRQ2_VECTOR     = 32'h0000_31e4,
    parameter [31:0] IRQ3_VECTOR     = 32'h0000_3310,
    parameter        IRQ_STACK_DEPTH = 4,
    // ustatus 复位值。bit0 为 MIE。课程的中断测试程序只会在中断处理
    // 程序中设置 MIE，若复位后不立即置位 MIE，主程序将永远无法响应
    // 第一次中断，因此这里默认打开 MIE。
    parameter [31:0] USTATUS_INIT    = 32'h0000_0001
) (
    input  wire        clk,
    input  wire        reset,
    input  wire [ 2:0] irq_i,
    input  wire        halted_i,
    // EX 级正在处理重定向/URET/停机，此时不允许响应中断
    input  wire        ex_block_i,
    // 中断发生时要保存的返回地址（由顶层根据流水线状态给出）
    input  wire [31:0] save_pc_i,
    // EX 级的 URET
    input  wire        uret_i,
    // EX 级 CSR 指令（CSRRW/CSRRSI/CSRRCI）
    input  wire        csr_valid_i,
    input  wire        csr_set_i,
    input  wire        csr_clear_i,
    input  wire        csr_write_i,
    input  wire [11:0] csr_addr_i,
    input  wire [31:0] csr_imm_i,
    input  wire [31:0] csr_wdata_i,
    // 控制结果
    output wire        take_irq_o,
    output wire [31:0] vector_o,
    output wire [31:0] return_pc_o,
    output wire [ 2:0] pending_o,
    output wire [ 1:0] level_o,
    output wire [31:0] uepc_o,
    output wire [31:0] ustatus_o
);
  reg     [31:0] ustatus_q;
  reg     [31:0] uepc_q;
  reg     [ 1:0] irq_current_q;
  reg     [ 2:0] irq_pending_q;
  reg     [ 2:0] irq_sync1_q;
  reg     [ 2:0] irq_sync2_q;
  reg     [ 2:0] irq_prev_q;
  reg     [31:0] epc_stack                             [0:IRQ_STACK_DEPTH-1];
  reg     [31:0] status_stack                          [0:IRQ_STACK_DEPTH-1];
  reg     [ 1:0] priority_stack                        [0:IRQ_STACK_DEPTH-1];
  reg     [ 2:0] irq_depth_q;

  reg            irq_selected_valid;
  reg     [ 1:0] irq_selected_level;
  reg     [31:0] irq_vector;
  reg     [ 2:0] irq_pending_d;
  reg     [31:0] ustatus_d;
  reg     [31:0] uepc_d;

  integer        s;

  // 上升沿检测：只在 irq_i 由 0 变 1 的那一拍产生中断事件。
  wire    [ 2:0] irq_event = irq_sync2_q & ~irq_prev_q;

  // 优先级仲裁：在当前级别允许的条件下选出优先级最高的中断源。
  always @* begin
    irq_selected_valid = 1'b0;
    irq_selected_level = 2'd0;
    if (irq_pending_q[2] && (irq_current_q < 2'd3)) begin
      irq_selected_valid = 1'b1;
      irq_selected_level = 2'd3;
    end else if (irq_pending_q[1] && (irq_current_q < 2'd2)) begin
      irq_selected_valid = 1'b1;
      irq_selected_level = 2'd2;
    end else if (irq_pending_q[0] && (irq_current_q < 2'd1)) begin
      irq_selected_valid = 1'b1;
      irq_selected_level = 2'd1;
    end
  end

  // 依据被选中的优先级选择对应的中断入口地址。
  always @* begin
    case (irq_selected_level)
      2'd1: irq_vector = IRQ1_VECTOR;
      2'd2: irq_vector = IRQ2_VECTOR;
      2'd3: irq_vector = IRQ3_VECTOR;
      default: irq_vector = IRQ1_VECTOR;
    endcase
  end

  // 响应中断的条件：有已选中中断、MIE 使能、栈未溢出、未停机，且没有
  // 正在处理的重定向/URET/停机事件。
  assign take_irq_o = irq_selected_valid && ustatus_q[0] &&
                        (irq_depth_q < IRQ_STACK_DEPTH) && !halted_i &&
                        !ex_block_i;

  assign vector_o = irq_vector;
  assign return_pc_o = uepc_q;
  assign pending_o = irq_pending_q;
  assign level_o = irq_current_q;
  assign uepc_o = uepc_q;
  assign ustatus_o = ustatus_q;

  // 组合逻辑计算下一拍的挂起位与 CSR（ustatus/uepc）取值。
  always @* begin
    irq_pending_d = irq_pending_q | irq_event;
    if (take_irq_o) begin
      case (irq_selected_level)
        2'd1: irq_pending_d[0] = 1'b0;
        2'd2: irq_pending_d[1] = 1'b0;
        2'd3: irq_pending_d[2] = 1'b0;
        default: irq_pending_d = irq_pending_d;
      endcase
    end

    ustatus_d = ustatus_q;
    uepc_d = uepc_q;
    if (csr_valid_i && csr_set_i) begin
      if (csr_addr_i == 12'h004) ustatus_d = ustatus_q | csr_imm_i;
      else if (csr_addr_i == 12'h041) uepc_d = uepc_q | csr_imm_i;
    end else if (csr_valid_i && csr_clear_i) begin
      if (csr_addr_i == 12'h004) ustatus_d = ustatus_q & ~csr_imm_i;
      else if (csr_addr_i == 12'h041) uepc_d = uepc_q & ~csr_imm_i;
    end else if (csr_valid_i && csr_write_i) begin
      if (csr_addr_i == 12'h004) ustatus_d = csr_wdata_i;
      else if (csr_addr_i == 12'h041) uepc_d = csr_wdata_i;
    end

    if (take_irq_o) ustatus_d[0] = 1'b0;
    else if (uret_i && (irq_depth_q != 0)) ustatus_d = status_stack[irq_depth_q-1'b1];

    if (take_irq_o) uepc_d = save_pc_i;
    else if (uret_i && (irq_depth_q > 1)) uepc_d = epc_stack[irq_depth_q-2];
    else if (uret_i && (irq_depth_q == 1)) uepc_d = 32'b0;
  end

  // 复位时清空中断状态与嵌套栈。
  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset) begin
      ustatus_q <= USTATUS_INIT;
      uepc_q <= 32'b0;
      irq_current_q <= 2'b0;
      irq_pending_q <= 3'b0;
      irq_sync1_q <= 3'b0;
      irq_sync2_q <= 3'b0;
      irq_prev_q <= 3'b0;
      irq_depth_q <= 3'b0;
      for (s = 0; s < IRQ_STACK_DEPTH; s = s + 1) begin
        epc_stack[s] <= 32'b0;
        status_stack[s] <= 32'b0;
        priority_stack[s] <= 2'b0;
      end
    end else begin
      // 中断输入打两拍同步，并锁存挂起状态与 CSR。
      irq_sync1_q <= irq_i;
      irq_sync2_q <= irq_sync1_q;
      irq_prev_q <= irq_sync2_q;
      irq_pending_q <= irq_pending_d;
      ustatus_q <= ustatus_d;
      uepc_q <= uepc_d;

      if (take_irq_o) begin
        if (irq_depth_q < IRQ_STACK_DEPTH) begin
          epc_stack[irq_depth_q] <= save_pc_i;
          status_stack[irq_depth_q] <= ustatus_q;
          priority_stack[irq_depth_q] <= irq_current_q;
          irq_depth_q <= irq_depth_q + 3'd1;
        end
        irq_current_q <= irq_selected_level;
      end else if (uret_i) begin
        if (irq_depth_q != 0) begin
          irq_depth_q   <= irq_depth_q - 3'd1;
          irq_current_q <= priority_stack[irq_depth_q-1'b1];
        end
      end
    end
  end
endmodule

`default_nettype wire