【RISC-V设计-06】- RISC-V处理器设计K0A之ALU

【RISC-V设计-06】- RISC-V处理器设计K0A之ALU

1.简介

算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，简称 ALU）是计算机中央处理器（CPU）的核心组成部分之一，负责执行各种算术和逻辑运算。在本设计中，ALU模块具有两个作用，一是对所有运算指令操作数的处理，二是对跳转指令地址的处理。

2.顶层设计

3.内部结构

ALU模块包含两个加法器，分别称之为运算加法器和地址加法器，运算加法器在本设计中具有多重用途，如下

1. 执行加法运算，本设计中包含一个33bit+33bit的全加器，含最低位进位；
2. 执行减法运算，根据规则，减去一个数等于加上这个数的取反再加一；
3. 执行无符号比较运算，根据规则，小数减大数需要向高位借位；
4. 执行有符号比较运算，根据规则，补码变换为移码后，单调性不变，再应用3）无符号比较运算；

考虑到在执行条件跳转指令时，既需要ALU执行比较运算（也即加法运算），同时又需要计算地址偏移，一个加法器显然是不夠的，因此，ALU内部还包含一个20bit+20bit的加法器，用于地址的运算。此加法器为20bit加法器，位宽相对较小，不经过其它复用逻辑，直接运算，可为执行加载存储指令的地址的送出提供一定的时序裕量。

ALU内部包含两个移位电路，分别是逻辑左移和逻辑右移。为了节省资源，算术右移并没有单独再使用一个移位器，而是通过同时调用逻辑左移和逻辑右移来实现。如下图

ALU内部包含一个异或电路，用来执行异或指令，同时，也用于判断两个操作数rs1和rs2是否相等，异或逻辑的输出后接了一级和0比较的比较器。如下图

ALU内部包含一个逻辑与电路和一个逻辑或电路，用于执行与、或等逻辑指令。考虑到与、或逻辑相对比较简单，为了时序上的优化，所以CSR相关的指令并没使用ALU。如下图

4.端口说明

序号	端口	位宽	方向	说明
1	idu2alu_op	4	输入	ALU的操作码，来自指令译码单元
2	idu2alu_rs1	32	输入	运算的第一操作数