【PicoRV32】學習過程紀錄 & 文章素材

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!!! 個人零碎筆記，未來整個架構搞懂了才會重新整理

設計架構

1. 怎麼理解整個設計架構

------- 模組介紹 ---------

模組名稱	描述
picorv32_wrapper.sv	整合picorv32和axi4_memory_bhv
picorv32	使用 native memory interface 的主 CPU
picorv32_axi	提供 AXI4-Lite master 介面的 CPU
picorv32_axi_adapter	native memory ↔ AXI4 bridge
picorv32_wb	Wishbone master 介面
picorv32_pcpi_*	外接乘法 / 除法協同處理器
axi4_memory_bhv.sv	在模擬環境中充當 AXI4-Lite 介面Slave端的記憶體模型

先大致畫出整個module 階層的block digram

接著從程式碼中可以得知編譯好的firmware.hex檔，在picorv32_wrapper.sv中讀入，到axi4_memory_bhv.sv中的memory陣列(模擬ram)

下一步就是去axi4_memory_bhv.sv查看他的行為

介面通道省去了LNE、ID、BURST、RESP等完整AXI訊號

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picorv32.sv

picorv32.sv 主要分為三個部分

1. Memory Interface
   look-ahead 訊號 : 下一拍會讀或寫哪個位址、資料與 byte enable

2. Instruction Decoder

3. Main State Machine

- mem_state

mem_state 是 PicoRV32 記憶體存取狀態機的核心暫存器，用來：
• 區分 CPU 當前是否在 取指、讀資料、寫資料，或閒置。
• 控制 mem_valid / mem_instr / mem_wstrb 等訊號的組合。
• 等待外部記憶體或匯流排的 mem_ready 回應。
• 配合 RVC（壓縮指令集） 處理跨 32-bit 邊界的抓取。

mem_state	實際語意（依你的程式）	關鍵行為摘要
0	Idle（閒置）	若 `mem_do_prefetch
1	Read/Fetch 進行中	這一態處理「指令抓取或資料讀取」的實際握手。mem_xfer 成功後：— 若有 RVC 需要第二半字，可能設 mem_la_secondword 繼續讀；— 否則結束讀取：若這次是「rinst/rdata」→ 回 0；若這次只是 prefetch → 轉 3。
2	Write 進行中	實際資料寫入（mem_wstrb != 0）。mem_xfer 成功後清 mem_valid，回 0。
3	Prefetch-hold（只預取、暫停等真正取指）	僅在「做過 prefetch 但尚未真的 rinst」時短暫停留；一旦 mem_do_rinst 成立即回 0。

RISCV 壓縮指令集

1. 什麼是 RISC-V 壓縮指令集（RVC）
   • RVC 是 RISC-V 的 C 擴展（Compressed Extension），將常用的 32 位元指令（4 bytes） 壓縮成 16 位元指令（2 bytes）。
   • 主要目標：
   1. 減少程式碼體積（code size）。
   2. 提升指令快取（I-Cache）命中率。
   3. 降低指令記憶體頻寬需求（對嵌入式、低功耗系統特別有用）。

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2. RVC 判斷與基本規則
   • 判斷指令是否為壓縮格式：

   RISC-V 定義：

   若指令低 2 bits (instr[1:0]) ≠ 11（二進制），則為壓縮指令（16-bit）
   若 instr[1:0] == 11（二進制），則為標準 32-bit 指令

   instr[1:0]	指令類型
   00, 01, 10	16-bit RVC
   11	32-bit RVC

3. 取指流程與 PicoRV32 處理邏輯
   因為 16-bit 壓縮指令與 32-bit 指令混用，取指單元需要特別處理：

   1. 取第一個 32-bit word（可能只用前半 16-bit）。
   2. 判斷是否為壓縮指令：
      • 是 → 直接解碼執行，剩下的 16-bit 暫存在 mem_16bit_buffer。
      • 否 → 需要讀取完整的 32-bit 再解碼。
   3. 連續壓縮指令處理：
      • 如果前一個 cycle 已有剩下的高 16-bit，下一條指令直接使用它，不需要再讀記憶體。

另一個要注意的是壓縮指令使否跨過不同的word(4-byte)，先舉個簡單的例子:
假設記憶體內容（每格是 1 byte，地址右邊是位址的 hex）：

Word0:  [Byte0] [Byte1] [Byte2] [Byte3]
         0x00    0x01    0x02    0x03
Word1:  [Byte4] [Byte5] [Byte6] [Byte7]
         0x04    0x05    0x06    0x07

• 情況: RVC 跨 word
  PC = 0x03
  不可能是合法的 32-bit 指令對齊，但對 RVC 來說是合法的（因為 RVC 只要對齊 2 bytes）。
  指令第一半在 Word0 的 Byte3，第二半在 Word1 的 Byte4
  必須多抓 下一個 word（Word1），才能湊滿 16-bit
  這時 mem_la_firstword_xfer = 1，mem_la_addr = {next_pc[31:2] + 1, 2’b00} → 去抓 Word1

在picorv32.sv中，349行就是在確認上述的情況，
可以清楚的看到next_pc[1]這個條件，就是在檢測"跨 word"，
因為在沒有"跨 word"的情況下，指令是對齊4byte，也就是地址最低兩位一定是 2'b00

Assert用法

在這段程式碼中，assert(…) 是用來在模擬（simulation）期間檢查條件是否成立的斷言（assertion），如果條件不成立，就會在模擬時報錯，方便開發者及早發現邏輯錯誤。

MEM_STATE_FETCH_OR_READ: begin
          assert(mem_wstrb == 0);
          assert(mem_do_prefetch || mem_do_rinst || mem_do_rdata);
          assert(mem_valid == !mem_la_use_prefetched_high_word);
          assert(mem_instr == (mem_do_prefetch || mem_do_rinst));
          if (mem_xfer) begin
            if (COMPRESSED_ISA && mem_la_read) begin
              mem_valid <= 1;
              mem_la_secondword <= 1;
              if (!mem_la_use_prefetched_high_word)
                mem_16bit_buffer <= mem_rdata[31:16];
            end else begin
              mem_valid <= 0;
              mem_la_secondword <= 0;
              if (COMPRESSED_ISA && !mem_do_rdata) begin
                if (~&mem_rdata[1:0] || mem_la_secondword) begin
                  mem_16bit_buffer <= mem_rdata[31:16];
                  prefetched_high_word <= 1;
                end else begin
                  prefetched_high_word <= 0;
                end
              end
              mem_state <= mem_do_rinst || mem_do_rdata ? MEM_STATE_IDEL : MEM_STATE_PREFETCH;
            end
          end
        end

┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  State: MEM_STATE_FETCH_OR_READ                              │
│  ※ 進入此狀態時，以下斷言必須成立：                            │
│    A1) mem_wstrb == 0                                        │
│    A2) mem_do_prefetch || mem_do_rinst || mem_do_rdata       │
│    A3) mem_valid == !mem_la_use_prefetched_high_word         │
│    A4) mem_instr == (mem_do_prefetch || mem_do_rinst)        │
└──────────────┬───────────────────────────────────────────────┘
               │
               │  等待資料交換完成
               ▼
          ┌───────────┐   mem_xfer = 1 ?
          │ mem_xfer? │────────────────────────┐
          └─────┬─────┘       否(No)           │ 是(Yes)
                │                              ▼
                │                         ┌───────────────┐
                │                         │  COMPRESSED?  │  （COMPRESSED_ISA && mem_la_read）
                │                         └──────┬────────┘
                │                                │
                │                          是(Yes)│ 否(No)
                │                                ▼
                │                     ┌───────────────────────────────┐
                │                     │  for C-ISA 取「第二個 half」   │
                │                     │  mem_valid <= 1               │
                │                     │  mem_la_secondword <= 1       │
                │                     │  if (!mem_la_use_prefetched_  │
                │                     │      high_word)               │
                │                     │    mem_16bit_buffer <=        │
                │                     │      mem_rdata[31:16];        │
                │                     └───────────┬───────────────────┘
                │                                 │
                │                                 └─────→ (留在本狀態等待下一拍)
                │
                ▼
      （No path change，本拍什麼都不做）

                               ┌──────────────────────────────────────────────┐
                        否(No) │    一般情形（或讀資料 load）                   │
                               │    mem_valid <= 0                            │
                               │    mem_la_secondword <= 0                    │
                               │    if (COMPRESSED_ISA && !mem_do_rdata) {    │
                               │      if (~&mem_rdata[1:0] ||                 │
                               │          mem_la_secondword) {                │
                               │        mem_16bit_buffer <= mem_rdata[31:16]; │
                               │        prefetched_high_word <= 1;            │
                               │      } else {                                │
                               │        prefetched_high_word <= 0;            │
                               │      }                                       │
                               │    }                                         │
                               │    mem_state <= (mem_do_rinst ||             │
                               │                  mem_do_rdata) ?             │
                               │                 MEM_STATE_IDLE :             │
                               │                 MEM_STATE_PREFETCH;          │
                               └──────────────────────────────────────────────┘

訊號意義

◾ mem_valid

mem_valid 在 PicoRV32 裡的作用，就是 CPU 對外宣告「我有一筆記憶體存取請求要送出」，直到外部用 mem_ready=1 回應為止。
它是 CPU 端主動拉高 的信號，外部只讀它、不會去驅動它。

◾ mem_ready

mem_ready 在 PicoRV32 裡的作用，就是 外部記憶體或匯流排介面回應「資料已經準備好」或「寫入已完成」的握手訊號。
它是 由外部模組（記憶體模型、AXI adapter 等）驅動，CPU 只是讀它來判斷是否可以結束這次 bus transaction。

◾ mem_instr

在 PicoRV32 裡mem_instr 是 CPU 與外部記憶體介面之間的一條標記訊號，作用是：
CPU跟MEM(或arbiter)說，這次 mem_valid 發出的存取是「取指令」而不是資料讀寫。