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risc-v-cpu/cpu21_riscv_decoder.v
T
Anccend 9f6f4c9ada ISA 扩展:sltiu、bge/bgeu、mulh/mulhsu/mulhu(并回归 xor/sll/srl/sra/bltu/mul)
cpu21_riscv_alu.v
- 新增 ALU_MULH(4'd13)、ALU_MULHSU(4'd14):用 64 位有符号乘积
  mult_ss = $signed(a)*$signed(b)、mult_su = $signed(a)*$signed({32'b0,b})
  取高 32 位;mulhu 复用 ALU_MUL 的 result2(无符号乘积高 32 位),
  与课程约定的 remu 共用 wb_sel=3 通道,因此 ALU 操作码仍为 4 位。

cpu21_riscv_decoder.v
- OP_I 新增 funct3=011 -> sltiu(立即数符号扩展后无符号比较);
- OP_R 的 funct7=0000001 分支改为完整 M 扩展译码:
  000=mul、001=mulh、010=mulhsu、011=mulhu,并保留 111=remu(wb_sel=3);
- OP_BRANCH 新增 funct3=101(bge)、111(bgeu),新增 bge_o/bgeu_o 输出,
  ALU_OP 仍按比较类型给出 SLT/SLTU/SUB。

cpu21_riscv_branch_unit.v
- 新增 bge_i、bgeu_i;把四种比较预计算成短 wire(有符号 <、>= 与无符号 <、>=)
  再组合出 branch_taken,顺带修掉之前被自动换行拆散的 $signed 表达式。

cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v
- 新增 d_bge/d_bgeu 连线与 idex_bge_q/idex_bgeu_q 流水寄存器(含复位与捕获);
- IF 级 f_is_branch 纳入 funct3=101/111,使 bge/bgeu 也参与 BPB 预测。

说明文档
- 功能列表与编码表补充 sltiu、bge/bgeu 与 M 扩展乘法。

验证(xsim + tb_no_intr;测试程序由临时小汇编器生成,共 24 项 LED 输出逐项比对)
- sltiu:1 <u 0xffffffff = 00000001;0xffffffff <u 1 = 00000000
- xor:0xff ^ 0xffffffff = ffffff00
- sll:1 << 31 = 80000000;srl:0xffffffff >> 28 = 0000000f;sra:同左 = ffffffff
- mul:1234*567 = 000aad1e;mulh:(-1)*(-1) 高 = 00000000
  mulhu:0xffffffff^2 高 = fffffffe;mulhsu:(-1)*2 高 = ffffffff
- bltu:0 <u 0xffffffff 成立(取跳转分支);bge:(-1) >= 0 不成立(走 fall-through);
  bgeu:0xffffffff >=u 0 成立
- bge / bgeu / bltu 三个循环计数正确(fffffffd..00000000 / 3..1 / 4..1),最后 halt 停机
  (143 周期,halted=1)
- 回归:中断测试程序 6003 周期统计与改动前逐项一致
  (stalls=11 bubbles=297 cond_taken=648 pred_ok=663 pred_fail=102,
  IRQ1@cyc85、IRQ2@cyc266、IRQ3@cyc447);
  benchmark 的 BLT 段落仍连续输出 fffffff1..ffffffff,
  60000 周期统计与改动前完全一致(stalls=3195 bubbles=6955 cond_taken=8857
  pred_ok=9455 pred_fail=1050)。
2026-09-12 19:02:24 +08:00

283 lines
9.8 KiB
Verilog
Raw Blame History

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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 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)
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;
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,外加课程约定的 remu
// (funct3=111 形式)。mulhu 与 remu 都取 ALU 的 result2(wb_sel=3)。
if (funct7 == 7'b0000001) begin
case (funct3)
3'b000: alu_op_o = ALU_MUL; // mul:无符号乘积低 32 位
3'b001: alu_op_o = ALU_MULH; // mulh:有符号乘积高 32 位
3'b010: alu_op_o = ALU_MULHSU; // mulhsu:有符号 x 无符号高 32 位
3'b011: begin // mulhu:无符号乘积高 32 位
alu_op_o = ALU_MUL;
wb_sel_o = 3'd3;
end
3'b111: begin // remu(课程约定):取余数
alu_op_o = ALU_DIVU;
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