Anccend
266ec6a049
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。
259 lines
10 KiB
Verilog
259 lines
10 KiB
Verilog
// 仿真顶层：tb_no_intr —— 与 tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v 相同的测试框架，
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// 但不注入任何中断脉冲，因此主程序可以不受打扰地连续运行。
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//
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// 与 RTL 文件（cpu21_riscv_*.v、cpu21_bpb_8.v）一起编译。
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// 示例：
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// iverilog -g2012 -o cpu21_sim cpu21_*.v tb_no_intr.v
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// vvp cpu21_sim
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// 仿真会写出 tb_no_intr.vcd，可供 GTKWave 查看。
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//
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// 程序镜像通过 $readmemh 从 ROM_FILE 载入 ROM 模型。$readmemh 找不到文件时
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// 只会打印警告并保持内存原样，所以路径写错会让 ROM 看起来全是 NOP
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// （0x00000013）。仿真器的工作目录并不固定（Vivado xsim 在
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// <proj>.sim/sim_1/behav/xsim 下运行），因此本测试平台会依次探测若干候选
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// 路径，并报告实际命中的那个。显式给出的路径始终优先：
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// vvp cpu21_sim +ROM_FILE=<path> (iverilog/vvp)
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// xelab ... -generic_top "ROM_FILE=<path>" (Vivado xsim)
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module tb_no_intr #(
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parameter ROM_FILE = "risc-v-benchmark_ccab.hex"
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// risc-v-benchmark_ccab.hex
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// cpu21_riscv_redirect_int_bpb_rom.hex
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||
// risc-v-branch-predict.hex
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||
);
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localparam integer ROM_WORDS = 1024;
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localparam integer RAM_WORDS = 1024;
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localparam integer PATH_LEN = 512;
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// 哨兵值：不可能出现在 RISC-V 镜像的第一个字中。
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localparam [31:0] EMPTY_ROM_WORD = 32'hFFFF_FFFF;
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||
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||
// 中断入口地址：DUT 例化与下面的打印条件共用。DUT 用 PC[11:2] 访问 ROM，
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// 因此这三个入口位于程序镜像的第 43 / 120 / 192 个字（即每个中断处理
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// 程序开头的第一条 "sw ..., 0(sp)"）。
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localparam [31:0] IRQ1_VECTOR = 32'h0000_30ac;
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||
localparam [31:0] IRQ2_VECTOR = 32'h0000_31e0;
|
||
localparam [31:0] IRQ3_VECTOR = 32'h0000_3300;
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reg clk;
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||
reg reset;
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reg [ 31:0] instr_i;
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||
reg [ 31:0] data_rdata_i;
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||
reg [ 2:0] irq_i;
|
||
reg go_i;
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||
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||
reg [ 31:0] rom [0:ROM_WORDS-1];
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||
reg [ 31:0] ram [0:RAM_WORDS-1];
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||
|
||
wire [ 31:0] instr_addr_o;
|
||
wire [ 31:0] data_addr_o;
|
||
wire [ 31:0] data_wdata_o;
|
||
wire [ 3:0] data_wstrb_o;
|
||
wire data_we_o;
|
||
wire [ 31:0] led_data_o;
|
||
wire led_valid_o;
|
||
wire [ 31:0] if_pc_o;
|
||
wire [ 31:0] id_pc_o;
|
||
wire [ 31:0] ex_pc_o;
|
||
wire [ 31:0] mem_pc_o;
|
||
wire [ 31:0] wb_pc_o;
|
||
wire [ 31:0] if_ir_o;
|
||
wire [ 31:0] id_ir_o;
|
||
wire [ 31:0] ex_ir_o;
|
||
wire [ 31:0] mem_ir_o;
|
||
wire [ 31:0] wb_ir_o;
|
||
wire [ 31:0] rdin_o;
|
||
wire [ 31:0] mdin_o;
|
||
wire reg_write_o;
|
||
wire mem_write_o;
|
||
wire halted_o;
|
||
|
||
wire [ 2:0] irq_pending_o;
|
||
wire [ 1:0] irq_current_level_o;
|
||
wire [ 31:0] uepc_o;
|
||
wire [ 31:0] ustatus_o;
|
||
wire bpb_predict_hit_o;
|
||
wire bpb_predict_taken_o;
|
||
wire bpb_mispredict_o;
|
||
|
||
wire [ 15:0] cycle_count_o;
|
||
wire [ 15:0] stall_count_o;
|
||
wire [ 15:0] bubble_count_o;
|
||
wire [ 15:0] conditional_taken_count_o;
|
||
wire [ 15:0] unconditional_branch_count_o;
|
||
wire [ 15:0] prediction_success_count_o;
|
||
wire [ 15:0] prediction_failure_count_o;
|
||
|
||
integer i;
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integer tb_cycle;
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||
reg rom_loaded;
|
||
reg [8*PATH_LEN-1:0] rom_file_path;
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cpu21_riscv_redirect_int_bpb #(
|
||
.RESET_PC (32'h0000_0000),
|
||
.IRQ1_VECTOR(IRQ1_VECTOR),
|
||
.IRQ2_VECTOR(IRQ2_VECTOR),
|
||
.IRQ3_VECTOR(IRQ3_VECTOR),
|
||
// 与中断测试平台一致，复位后即使能 MIE。本测试平台从不产生 irq_i
|
||
// 脉冲，因此该参数只有在你自行添加脉冲时才有影响。
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.USTATUS_INIT(32'h0000_0001)
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) dut (
|
||
.clk (clk),
|
||
.reset (reset),
|
||
.instr_i (instr_i),
|
||
.data_rdata_i (data_rdata_i),
|
||
.irq_i (irq_i),
|
||
.go_i (go_i),
|
||
.instr_addr_o (instr_addr_o),
|
||
.data_addr_o (data_addr_o),
|
||
.data_wdata_o (data_wdata_o),
|
||
.data_wstrb_o (data_wstrb_o),
|
||
.data_we_o (data_we_o),
|
||
.led_data_o (led_data_o),
|
||
.led_valid_o (led_valid_o),
|
||
.if_pc_o (if_pc_o),
|
||
.id_pc_o (id_pc_o),
|
||
.ex_pc_o (ex_pc_o),
|
||
.mem_pc_o (mem_pc_o),
|
||
.wb_pc_o (wb_pc_o),
|
||
.if_ir_o (if_ir_o),
|
||
.id_ir_o (id_ir_o),
|
||
.ex_ir_o (ex_ir_o),
|
||
.mem_ir_o (mem_ir_o),
|
||
.wb_ir_o (wb_ir_o),
|
||
.rdin_o (rdin_o),
|
||
.mdin_o (mdin_o),
|
||
.reg_write_o (reg_write_o),
|
||
.mem_write_o (mem_write_o),
|
||
.halted_o (halted_o),
|
||
.irq_pending_o (irq_pending_o),
|
||
.irq_current_level_o (irq_current_level_o),
|
||
.uepc_o (uepc_o),
|
||
.ustatus_o (ustatus_o),
|
||
.bpb_predict_hit_o (bpb_predict_hit_o),
|
||
.bpb_predict_taken_o (bpb_predict_taken_o),
|
||
.bpb_mispredict_o (bpb_mispredict_o),
|
||
.cycle_count_o (cycle_count_o),
|
||
.stall_count_o (stall_count_o),
|
||
.bubble_count_o (bubble_count_o),
|
||
.conditional_taken_count_o (conditional_taken_count_o),
|
||
.unconditional_branch_count_o(unconditional_branch_count_o),
|
||
.prediction_success_count_o (prediction_success_count_o),
|
||
.prediction_failure_count_o (prediction_failure_count_o)
|
||
);
|
||
|
||
always #5 clk = ~clk;
|
||
|
||
// Logisim 的 ROM 以 PC[11:2] 作为字地址；这也让原来的三个中断向量映射到
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||
// 相同的 ROM 表项。
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always @* begin
|
||
instr_i = 32'h00000013;
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||
if (instr_addr_o[11:2] < ROM_WORDS) instr_i = rom[instr_addr_o[11:2]];
|
||
end
|
||
|
||
// 数据存储器的异步读模型。
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||
always @* begin
|
||
data_rdata_i = 32'b0;
|
||
if (data_addr_o[11:2] < RAM_WORDS) data_rdata_i = ram[data_addr_o[11:2]];
|
||
end
|
||
|
||
// 带字节使能的同步写模型。
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||
always @(posedge clk) begin
|
||
if (!reset && data_we_o && (data_addr_o[11:2] < RAM_WORDS)) begin
|
||
if (data_wstrb_o[0]) ram[data_addr_o[11:2]][7:0] <= data_wdata_o[7:0];
|
||
if (data_wstrb_o[1]) ram[data_addr_o[11:2]][15:8] <= data_wdata_o[15:8];
|
||
if (data_wstrb_o[2]) ram[data_addr_o[11:2]][23:16] <= data_wdata_o[23:16];
|
||
if (data_wstrb_o[3]) ram[data_addr_o[11:2]][31:24] <= data_wdata_o[31:24];
|
||
end
|
||
end
|
||
|
||
always @(posedge clk) begin
|
||
if (reset) begin
|
||
tb_cycle = 0;
|
||
end else begin
|
||
tb_cycle = tb_cycle + 1;
|
||
if ((tb_cycle <= 20) || data_we_o || led_valid_o ||
|
||
(irq_pending_o != 3'b000) ||
|
||
(instr_addr_o == IRQ1_VECTOR) ||
|
||
(instr_addr_o == IRQ2_VECTOR) ||
|
||
(instr_addr_o == IRQ3_VECTOR)) begin
|
||
$display(
|
||
"t=%0t cyc=%0d PC=%08h ID=%08h EX=%08h MEM=%08h WB=%08h irq=%b pend=%b uepc=%08h LEDv=%b LED=%08h memwe=%b addr=%08h wdata=%08h wstrb=%b",
|
||
$time, tb_cycle, if_pc_o, id_ir_o, ex_ir_o, mem_ir_o, wb_ir_o, irq_i, irq_pending_o,
|
||
uepc_o, led_valid_o, led_data_o, data_we_o, data_addr_o, data_wdata_o, data_wstrb_o);
|
||
end
|
||
end
|
||
end
|
||
|
||
// 尝试从 "fname" 载入 ROM 镜像。"loaded" 为 1 表示文件存在且至少包含一个
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// 字。利用 rom[0] 中的哨兵值，可以避免载入失败被静默忽略。
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||
task load_rom_image;
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input [8*PATH_LEN-1:0] fname;
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output loaded;
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integer fh;
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begin
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loaded = 1'b0;
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fh = $fopen(fname, "r");
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if (fh != 0) begin
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$fclose(fh);
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||
rom[0] = EMPTY_ROM_WORD;
|
||
$readmemh(fname, rom);
|
||
if (rom[0] === EMPTY_ROM_WORD) begin
|
||
// 文件能打开但内容为空：恢复默认的 NOP 填充。
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||
rom[0] = 32'h0000_0013;
|
||
end else begin
|
||
rom_file_path = fname;
|
||
loaded = 1'b1;
|
||
$display("NOTE: ROM image loaded from \"%0s\".", fname);
|
||
end
|
||
end
|
||
end
|
||
endtask
|
||
|
||
initial begin
|
||
clk = 1'b0;
|
||
reset = 1'b1;
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||
irq_i = 3'b000;
|
||
go_i = 1'b0;
|
||
tb_cycle = 0;
|
||
|
||
for (i = 0; i < ROM_WORDS; i = i + 1) rom[i] = 32'h00000013;
|
||
for (i = 0; i < RAM_WORDS; i = i + 1) ram[i] = 32'b0;
|
||
|
||
// 预置几个字，便于在波形中观察数据存储器的活动。
|
||
ram[1] = 32'h1234_5678;
|
||
ram[2] = 32'h89ab_cdef;
|
||
|
||
// 依次探测 ROM 镜像的常见位置，第一个可读的候选文件生效；下面的探测
|
||
// 失败是无害的（在找到真正的镜像之前，ROM 保持 0x00000013 填充）。
|
||
$display("NOTE: searching for ROM image \"%0s\" ...", ROM_FILE);
|
||
|
||
rom_loaded = 1'b0;
|
||
if ($value$plusargs("ROM_FILE=%s", rom_file_path)) load_rom_image(rom_file_path, rom_loaded);
|
||
if (!rom_loaded) load_rom_image(ROM_FILE, rom_loaded);
|
||
if (!rom_loaded) load_rom_image({"testbench/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../testbench/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../../../testbench/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../../../../../testbench/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||
if (!rom_loaded)
|
||
$display(
|
||
"WARNING: no ROM image found for \"%0s\" - the ROM stays filled with NOPs (0x00000013).",
|
||
ROM_FILE
|
||
);
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||
$dumpfile("tb_no_intr.vcd");
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||
$dumpvars(0, tb_no_intr);
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||
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||
#22 reset = 1'b0;
|
||
|
||
// 本测试平台不注入中断脉冲：irq_i 始终为 3'b000，因此只走主程序
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||
//（非中断）执行路径。
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repeat (5560) @(negedge clk);
|
||
$display(
|
||
"FINAL: tb_cycles=%0d dut_cycles=%0d stalls=%0d bubbles=%0d cond_taken=%0d uncond=%0d pred_ok=%0d pred_fail=%0d halted=%b",
|
||
tb_cycle, cycle_count_o, stall_count_o, bubble_count_o, conditional_taken_count_o,
|
||
unconditional_branch_count_o, prediction_success_count_o, prediction_failure_count_o,
|
||
halted_o);
|
||
$finish;
|
||
end
|
||
endmodule
|
||
|