从零开始的RISCV架构CPU设计（3）- 状态机与流水线

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上一节：从零开始的RISCV架构CPU设计（2）-CISC与RISC

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前言

  流水线与状态机是数字电路设计中两种重要的技术，本节将由浅入深对这两种技术作简要介绍，并探讨在该RV CPU软核的实现框架。

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一、举个例子

  在进行对流水线与状态机的介绍之前，首先为大家引入一个生活实例：
  王大妈与李大妈现打算各自开设一家餐饮店，她们俩分别采用了不同的经营模式。
  王大妈开设的餐饮店不招收员工，店内所有工作需要王大妈一个人负责完成，这些工作包括接单、需求分析、后厨制作、餐饮配送；假设这些工作每项需要十分钟，我们不难得出，王大妈一个处理订单的速度为这些工作时间的总和共计40分钟；并且假设王大妈在进行其中一项工作时无法同时进行其他工作，因此王大妈只有在处理完当前订单后才能对下一个订单做处理；我们对王大妈的这种模式画一个时间轴，如下所示：  王大妈处理三个订单花费了120分钟，我们可以看出，这种运营方式处理订单的效率并不高。
  我们再来看李大妈，李大妈选择招收一个前台柜员、一个服务员、一个厨师、一个骑手来分别负责接单、需求分析、后厨制作、餐饮配送。在这种情况下，前台柜员将接收到的订单给服务员后，便可以接收下一份订单，同理服务员在
对订单进行分析后，将顾客的需求反应给厨师后，就可以转去处理柜员传递的下一份订单，以此类推，这种工作模式的时间轴如下所示：
  从整体上来看，整个餐厅在处理上一份订单的需求时，可以进行下一份订单的接单任务，在处理上一份订单的后厨制作时，可以进行下一份订单的需求分析；同理在上一份订单配送时，下一份订单处于后厨制作阶段；
  李大妈的这种模式，虽然单个订单的处理时间仍然是40分钟，但整体上来看，三个订单的处理时间仅花费了60分钟。

  我们再来综合看下这两种经营模式，王大妈的经营模式简单来说就是划分好了每个时刻的任务，第一个10分钟干什么，第二个十分钟干什么；李大妈人多力量大，所有工作在每个十分钟都可以同时进行。其实前者的工作模式就是一种状态机，后者就是流水线；
  两种模式各有优缺点，王大妈虽然减少了店内员工的开销，但是处理订单的效率不高，适合订单不多的情况；李大妈虽然处理订单的效率提高了，但其在员工上的开销也增大了，适合订单较多的情况；

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二、状态机

2.1 状态机概念

  正如上述我们举的实例，状态机所做的就是将一个复杂的任务分为若干个阶段，每个阶段去完成其中的一小部分。由于状态机在每个时钟周期到来时处理的任务是唯一的，做事是“一心一意”的，所以各个状态对应逻辑是允许逻辑复用的，所以状态机是一种以性能换面积的手段；

2.2 状态机设计

  从状态机的类型上来看，状态机可以分为moore型和mealy型；
  从状态机的代码实现上来看，状态机可以是一段式、二段式或三段式；
  moore型状态机的特点是状态机的输入与输出无关，输出仅与当前状态有关，如下图所示：

  mealy型状态机的特点是状态机的输入会影响输出；

2.3 设计实例

  我们这边举一个二段式状态机的设计实例；计算y=12*x + (x - 6) + x / 4；

module state_machine_test(
	input  wire            clk,
	input  wire           nrst,
	input  wire [15:0]       x,
	output wire [31:0]       y
);
	reg [31:0] y_temp;
	reg [31:0] y_buff;
	reg [1:0]  state;
	localparam integer MUL0 = 0;
	localparam integer SUB0 = 1;
	localparam integer DIV0 = 2