Anccend
4a81685066
- 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。
310 lines
11 KiB
Verilog
310 lines
11 KiB
Verilog
`timescale 1ns / 1ps
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`default_nettype none
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// -----------------------------------------------------------------------------
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// ID 级组合译码器。
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//
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// 与原始 Logisim 控制器一致：操作码取标准 RISC-V 的 IR[6:2] 五位字段，
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// 真值表中以十六进制形式存储该字段。
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// 所有输出在无匹配时保持"无操作/不写回"的默认值。
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// -----------------------------------------------------------------------------
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module cpu21_riscv_decoder (
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input wire [31:0] ir_i,
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output reg [ 4:0] rs1_idx_o,
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output reg [ 4:0] rs2_idx_o,
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output reg [ 4:0] rd_o,
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output reg [31:0] imm_o,
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output reg [ 3:0] alu_op_o,
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output reg [ 2:0] wb_sel_o,
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output reg [ 2:0] md_op_o,
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output wire [11:0] csr_addr_o,
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output reg uses_rs1_o,
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output reg uses_rs2_o,
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output reg reg_write_o,
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output reg mem_to_reg_o,
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output reg mem_write_o,
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output reg mem_byte_o,
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output reg alu_src_o,
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output reg branch_o,
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output reg beq_o,
|
||
output reg bne_o,
|
||
output reg blt_o,
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||
output reg bge_o,
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output reg bltu_o,
|
||
output reg bgeu_o,
|
||
output reg jal_o,
|
||
output reg jalr_o,
|
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output reg ecall_o,
|
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output reg uret_o,
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||
output reg csr_set_o,
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output reg csr_clear_o,
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output reg csr_write_o
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);
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// CPU21 自定义操作码（取自所提供的真值表）。
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localparam OP_LOAD = 5'h00;
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localparam OP_R = 5'h0c;
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localparam OP_I = 5'h04;
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localparam OP_STORE = 5'h08;
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localparam OP_JALR = 5'h19;
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localparam OP_BRANCH = 5'h18;
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localparam OP_JAL = 5'h1b;
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localparam OP_SYS = 5'h1c;
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// LUI 为扩展指令（标准 RISC-V opcode 0x37 -> IR[6:2]=0x0d）。
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localparam OP_LUI = 5'h0d;
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localparam ALU_SLL = 4'd0;
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localparam ALU_SRA = 4'd1;
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localparam ALU_SRL = 4'd2;
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localparam ALU_MUL = 4'd3;
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localparam ALU_DIVU = 4'd4;
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localparam ALU_ADD = 4'd5;
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localparam ALU_SUB = 4'd6;
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localparam ALU_AND = 4'd7;
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localparam ALU_OR = 4'd8;
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localparam ALU_XOR = 4'd9;
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localparam ALU_SLT = 4'd11;
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localparam ALU_SLTU = 4'd12;
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localparam ALU_MULH = 4'd13;
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localparam ALU_MULHSU = 4'd14;
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localparam ALU_PASSB = 4'd15; // LUI：直接输出 B 端（立即数）
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// 乘除法单元（cpu21_riscv_muldiv）的操作编码，MD_NONE 表示非乘除法指令。
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localparam [2:0] MD_NONE = 3'd0;
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localparam [2:0] MD_MUL = 3'd1;
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localparam [2:0] MD_MULH = 3'd2;
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localparam [2:0] MD_MULHSU = 3'd3;
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localparam [2:0] MD_MULHU = 3'd4;
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localparam [2:0] MD_DIVU = 3'd5;
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localparam [2:0] MD_REMU = 3'd6;
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wire [4:0] opcode = ir_i[6:2];
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wire [2:0] funct3 = ir_i[14:12];
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wire [6:0] funct7 = ir_i[31:25];
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// CSR 地址字段在译码时直接旁路输出（供 EX 级读取 CSR）。
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assign csr_addr_o = ir_i[31:20];
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// 默认控制信号：全部为"无操作/不写回"，再由下面的 case 覆盖。
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always @* begin
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rs1_idx_o = ir_i[19:15];
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rs2_idx_o = ir_i[24:20];
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rd_o = ir_i[11:7];
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imm_o = {{20{ir_i[31]}}, ir_i[31:20]};
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alu_op_o = ALU_ADD;
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wb_sel_o = 3'd0;
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md_op_o = MD_NONE;
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uses_rs1_o = 1'b0;
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uses_rs2_o = 1'b0;
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reg_write_o = 1'b0;
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mem_to_reg_o = 1'b0;
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mem_write_o = 1'b0;
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mem_byte_o = 1'b0;
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alu_src_o = 1'b0;
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branch_o = 1'b0;
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beq_o = 1'b0;
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bne_o = 1'b0;
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blt_o = 1'b0;
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bge_o = 1'b0;
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bltu_o = 1'b0;
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bgeu_o = 1'b0;
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jal_o = 1'b0;
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jalr_o = 1'b0;
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ecall_o = 1'b0;
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||
uret_o = 1'b0;
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csr_set_o = 1'b0;
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csr_clear_o = 1'b0;
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csr_write_o = 1'b0;
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case (opcode)
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// R 型运算：由 funct3/funct7 决定具体操作。
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OP_R: begin
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uses_rs1_o = 1'b1;
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uses_rs2_o = 1'b1;
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reg_write_o = 1'b1;
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// M 扩展（funct7=0000001）：mul/mulh/mulhsu/mulhu，以及课程真值表里的
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// divu（funct3=101，商）与 remu（funct3=111，余数）。它们都由多周期
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// 乘除法单元完成，这里只给出操作类型 md_op_o；mulhu 与 remu 依旧用
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// wb_sel=3 取 result2（高位乘积 / 余数）。
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if (funct7 == 7'b0000001) begin
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case (funct3)
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3'b000: begin // mul：低 32 位
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alu_op_o = ALU_MUL;
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md_op_o = MD_MUL;
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end
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3'b001: begin // mulh：有符号高 32 位
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alu_op_o = ALU_MULH;
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||
md_op_o = MD_MULH;
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||
end
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3'b010: begin // mulhsu：有符号 x 无符号高 32 位
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alu_op_o = ALU_MULHSU;
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||
md_op_o = MD_MULHSU;
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||
end
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3'b011: begin // mulhu：无符号高 32 位
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||
alu_op_o = ALU_MUL;
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md_op_o = MD_MULHU;
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wb_sel_o = 3'd3;
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||
end
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3'b101: begin // divu：无符号商
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||
alu_op_o = ALU_DIVU;
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||
md_op_o = MD_DIVU;
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||
end
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3'b111: begin // remu：无符号余数
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alu_op_o = ALU_DIVU;
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md_op_o = MD_REMU;
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wb_sel_o = 3'd3;
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||
end
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||
default: reg_write_o = 1'b0;
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||
endcase
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||
end else begin
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// 标准 R 型 funct3 译码；add/sub 与 sra/srl 由 funct7[5] 区分。
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case (funct3)
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3'b000: alu_op_o = (funct7[5] ? ALU_SUB : ALU_ADD);
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3'b001: alu_op_o = ALU_SLL;
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||
3'b010: alu_op_o = ALU_SLT;
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||
3'b011: alu_op_o = ALU_SLTU;
|
||
3'b100: alu_op_o = ALU_XOR;
|
||
3'b101: alu_op_o = (funct7[5] ? ALU_SRA : ALU_SRL);
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||
3'b110: alu_op_o = ALU_OR;
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||
3'b111: alu_op_o = ALU_AND;
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||
default: reg_write_o = 1'b0;
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||
endcase
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||
end
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||
end
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||
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||
// I 型运算（addi/slli/slti/sltiu/xori/srai/srli/ori/andi）。
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OP_I: begin
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uses_rs1_o = 1'b1;
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alu_src_o = 1'b1;
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reg_write_o = 1'b1;
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case (funct3)
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3'b000: alu_op_o = ALU_ADD; // addi：立即数加
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3'b001: alu_op_o = ALU_SLL; // slli：立即数逻辑左移
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3'b010: alu_op_o = ALU_SLT; // slti：有符号小于置 1
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||
3'b011: alu_op_o = ALU_SLTU; // sltiu：无符号小于置 1（立即数符号扩展）
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||
3'b100: alu_op_o = ALU_XOR; // xori：立即数异或
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3'b101:
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alu_op_o = (funct7[5] ? ALU_SRA : ALU_SRL); // srai/srli：立即数算术/逻辑右移
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3'b110: alu_op_o = ALU_OR; // ori：立即数或
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3'b111: alu_op_o = ALU_AND; // andi：立即数与
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||
default: reg_write_o = 1'b0;
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||
endcase
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||
end
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// 加载高位立即数 lui：rd = imm[31:12] << 12。
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// 不读寄存器；用 ALU_SRC 选立即数，ALU 直通 B 端输出。
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OP_LUI: begin
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reg_write_o = 1'b1;
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alu_src_o = 1'b1;
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alu_op_o = ALU_PASSB;
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imm_o = {ir_i[31:12], 12'b0};
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||
wb_sel_o = 3'd0;
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||
end
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// 加载指令，当前仅支持 lw（funct3=010）。
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OP_LOAD: begin
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if (funct3 == 3'b010) begin
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||
uses_rs1_o = 1'b1;
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||
alu_src_o = 1'b1;
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||
alu_op_o = ALU_ADD;
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||
mem_to_reg_o = 1'b1;
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||
reg_write_o = 1'b1;
|
||
wb_sel_o = 3'd1;
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||
end
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||
end
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||
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||
// 存储指令：sw（funct3=010）与 sb（funct3=000）。
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OP_STORE: begin
|
||
if ((funct3 == 3'b010) || (funct3 == 3'b000)) begin
|
||
uses_rs1_o = 1'b1;
|
||
uses_rs2_o = 1'b1;
|
||
alu_src_o = 1'b1;
|
||
alu_op_o = ALU_ADD;
|
||
mem_write_o = 1'b1;
|
||
mem_byte_o = (funct3 == 3'b000); // sb：字节存储
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||
imm_o = {{20{ir_i[31]}}, ir_i[31:25], ir_i[11:7]};
|
||
end
|
||
end
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||
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||
// 条件分支：beq（000）/bne（001）/blt（100）/bge（101）/bltu（110）/bgeu（111）。
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OP_BRANCH: begin
|
||
if ((funct3 == 3'b000) || (funct3 == 3'b001) || (funct3 == 3'b100) ||
|
||
(funct3 == 3'b101) || (funct3 == 3'b110) || (funct3 == 3'b111)) begin
|
||
uses_rs1_o = 1'b1;
|
||
uses_rs2_o = 1'b1;
|
||
branch_o = 1'b1;
|
||
beq_o = (funct3 == 3'b000);
|
||
bne_o = (funct3 == 3'b001);
|
||
blt_o = (funct3 == 3'b100);
|
||
bge_o = (funct3 == 3'b101);
|
||
bltu_o = (funct3 == 3'b110);
|
||
bgeu_o = (funct3 == 3'b111);
|
||
// 有符号比较用 ALU_SLT、无符号比较用 ALU_SLTU，相等/不等用减法；
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||
// 分支是否成立由 EX 级的分支裁决单元决定，这里只与真值表保持一致。
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alu_op_o = (blt_o || bge_o) ? ALU_SLT : ((bltu_o || bgeu_o) ? ALU_SLTU : ALU_SUB);
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||
imm_o = {{19{ir_i[31]}}, ir_i[31], ir_i[7], ir_i[30:25], ir_i[11:8], 1'b0};
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||
end
|
||
end
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||
|
||
// 无条件跳转并链接：jal（写回 PC+4）。
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||
OP_JAL: begin
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||
jal_o = 1'b1;
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||
reg_write_o = 1'b1;
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||
wb_sel_o = 3'd2;
|
||
imm_o = {{11{ir_i[31]}}, ir_i[31], ir_i[19:12], ir_i[20], ir_i[30:21], 1'b0};
|
||
end
|
||
|
||
// 寄存器间接跳转并链接：jalr。
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||
OP_JALR: begin
|
||
if (funct3 == 3'b000) begin
|
||
jalr_o = 1'b1;
|
||
uses_rs1_o = 1'b1;
|
||
alu_src_o = 1'b1;
|
||
alu_op_o = ALU_ADD;
|
||
reg_write_o = 1'b1;
|
||
wb_sel_o = 3'd2;
|
||
end
|
||
end
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||
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||
// 系统指令：ecall / uret / CSR 读写。
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||
OP_SYS: begin
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||
// 电路用 IR[21] 区分 URET 与 ecall。
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if (funct3 == 3'b000) begin
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||
if (ir_i[21]) begin
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uret_o = 1'b1;
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||
end else begin
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||
ecall_o = 1'b1;
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||
// 按文档说明，ecall 读取 a7(rs17) 与 a0(rs10)。
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uses_rs1_o = 1'b1;
|
||
uses_rs2_o = 1'b1;
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||
rs1_idx_o = 5'd17;
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||
rs2_idx_o = 5'd10;
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||
end
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||
end else if (funct3 == 3'b001) begin
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||
csr_write_o = 1'b1; // CSRRW：写 CSR，并把旧值写回 rd
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uses_rs1_o = 1'b1;
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alu_src_o = 1'b1;
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||
imm_o = {27'b0, ir_i[19:15]};
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||
reg_write_o = (rd_o != 5'd0);
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||
wb_sel_o = 3'd4;
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||
end else if (funct3 == 3'b110) begin
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||
csr_set_o = 1'b1; // CSRRSI：置位 CSR 中的指定位
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||
imm_o = {27'b0, ir_i[19:15]};
|
||
reg_write_o = (rd_o != 5'd0);
|
||
wb_sel_o = 3'd4;
|
||
end else if (funct3 == 3'b111) begin
|
||
csr_clear_o = 1'b1; // CSRRCI：清除 CSR 中的指定位
|
||
imm_o = {27'b0, ir_i[19:15]};
|
||
reg_write_o = (rd_o != 5'd0);
|
||
wb_sel_o = 3'd4;
|
||
end
|
||
end
|
||
|
||
default: begin
|
||
end
|
||
endcase
|
||
end
|
||
endmodule
|
||
|
||
`default_nettype wire
|