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risc-v-cpu/rtl/cpu21_riscv_decoder.v
T
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

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