动手写CPU----day6验证逻辑和移位指令

本文详细介绍了如何验证自制CPU中的逻辑指令和移位指令。通过编写和仿真verilog代码,将inst_rom.S文件转化为inst_rom.data,然后在testbench中进行仿真。结果显示,逻辑指令的验证成功,寄存器数据正确。移位指令的验证也进行了相同步骤,大部分指令表现正常,但sra和srav指令可能存在尚待解决的问题。

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1.验证逻辑指令

inst_rom.S

	.org 0x0
	.global _start
	.set noat
_start:
   lui  $1,0x0101
   ori  $1,$1,0x0101
   ori  $2,$1,0x1100        # $2 = $1 | 0x1100 = 0x01011101
   or   $1,$1,$2            # $1 = $1 | $2 = 0x01011101
   andi $3,$1,0x00fe        # $3
<think>嗯,用户现在想知道如何在30天内安排学习内容来完成基于RISC-V RV32I的CPU设计。首先,我需要评估用户可能的技术背景。他们之前询问过学习路径,现在转向时间安排,说明他们可能已经有一定的数字逻辑和Verilog基础,或者至少了解过相关内容。但考虑到是从零开始,可能还是需要巩固基础。 接下来,用户想知道30天是否可行。这取决于每天投入的时间和用户的学习能力。通常,设计一个简单的RV32I CPU,比如单周期或三级流水线,对于有经验的人来说可能需要几周,但新手可能需要更长时间。不过,如果每天投入足够时间,并且有明确计划,30天是有可能的,但可能只能完成基础版本,不包括所有优化和验证步骤。 用户可能需要一个详细的学习计划,分阶段进行。我需要将之前的长期学习路径压缩到30天,合理分配每个阶段的时间。比如,前五天打基础,中间十天设计核心模块,再十天实现和验证,最后五天调试和优化。同时,需要强调关键任务,如数字逻辑、Verilog、RISC-V指令集和模块设计。 还要考虑用户可能遇到的困难,比如理解流水线冒险、验证测试、FPGA工具的使用等。因此,计划中需要包含足够的练习和实际编码时间,以及测试和调试的步骤。可能需要推荐一些资源,如开源项目、测试套件,以及调试工具如ILA的使用。 另外,用户可能希望知道每天的具体任务,所以需要细化到每一天的学习内容和目标。例如,前几天学习数字逻辑和Verilog,之后解析指令集,设计模块,编代码,最后进行综合和测试。同时,提醒用户时间管理的重要性,避免陷入某个细节而耽误整体进度。 最后,要诚实地指出30天的挑战,可能需要加班加点,但确实可行,尤其是如果用户有较强的学习能力和时间投入。同时,建议从单周期开始,逐步过渡到流水线,以降低复杂度。验证部分可能比较耗时,但使用现有的测试套件可以节省时间。</think>以下是为期30天的**高强度学习与实践计划**,目标完成**RV32I单周期CPU**的FPGA实现(若每天投入6-8小时,可行但需严格遵循进度): --- ### **第一阶段:基础准备(Day 1-7)** | 天数 | 学习目标 | 关键任务 | |------|-----------------------------------|--------------------------------------------------------------------------| | 1 | 数字逻辑基础强化 | - 完成组合逻辑设计:实现4位ALU<br>- 掌握D触发器与寄存器文件设计 | | 2 | Verilog核心语法 | -模块:多路选择器、移位器<br>- 理解`always@(*)`与`always@(posedge clk)`区别 | | 3 | RISC-V指令集速成 | -解码所有**I-type**指令格式<br>- 完成指令->二进制转换练习(至少20条)| | 4 | CPU数据通路初探 | - 绘制单周期数据流图<br>- 标注PC、寄存器堆、ALU、内存接口连接关系 | | 5 | FPGA工具链搭建 | - 安装Vivado/Quartus<br>- 跑通LED闪烁示例工程<br>- 学习ILA调试器使用 | | 6 | 验证方法学 | - 用Verilator搭建测试框架<br>-第一个ALU测试用例(覆盖+/-/AND/OR) | | 7 | **阶段验收** | - 实现并通过测试:32位加法器+寄存器文件<br>- 生成首个比特流并烧录FPGA验证| --- ### **第二阶段:核心实现(Day 8-20)** #### **Week 1: 模块级开发** ```mermaid gantt title 模块开发甘特图 dateFormat YYYY-MM-DD section 取指单元 指令内存模型 :active, des1, 2023-10-08, 2d PC计数器 : des2, after des1, 3d section 译码单元 指令解码器 :crit, des3, 2023-10-10, 4d 立即数生成器 : des4, after des3, 2d section 执行单元 ALU扩展实现 :crit, des5, 2023-10-12, 5d ``` | 关键里程碑 | 代码示例 | |--------------------|-----------------------------------| | **Day 12**完成控制信号生成 | ```verilog // 控制单元片段 case(opcode) 7'b0110011: begin // R-type reg_write = 1'b1; alu_src = 1'b0; end 7'b0000011: begin // lw mem_to_reg = 1'b1; mem_write = 1'b0; end endcase ``` | #### **Week 2: 系统集成** 1. **Day 15**:完成数据通路连接 - 解决关键路径问题:插入流水线寄存器 - 添加冒险检测单元(至少处理RAW冒险) 2. **Day 18**:通过官方测试套件 ```bash # 运行RISCV-Tests示例 make run TEST=rv32ui-p-add # 预期输出:Test passed at PC=0x00000100 ``` 3. **Day 20**:首次上板调试 - 使用ILA捕获异常跳转地址 - 测量实际时钟频率(目标:≥50MHz) --- ### **第三阶段:优化与交付(Day 21-30)** #### **关键优化项** 1. **时序优化**(Day 21-23): - 分析综合报告,重点优化: ```tcl # XDC约束示例 set_max_delay 0.5 -from [get_pins alu/*] set_false_path -through [get_clocks clk2x] ``` 2. **面积优化**(Day 24-26): - 资源占用目标(Artix-7): | 资源类型 | 使用量 | 优化手段 | |----------|---------|------------------------| | LUT | <1500 | 共享加法器/常量折叠 | | FF | <800 | 减少流水线级数 | 3. **验证强化**(Day 27-29): - 覆盖率提升策略: ```systemverilog covergroup cg_alu; coverpoint alu_op { bins add = {4'b0000}; bins sub = {4'b0001}; // ... 其他操作码 } endgroup ``` #### **最终交付(Day 30)** - 提交物清单: ``` /project ├── rtl/ # Verilog源码 ├── sim/ # 测试用例 ├── constraints/ # XDC约束文件 └── doc/ # 架构说明书+时序报告 ``` --- ### **可行性评估** 1. **可实现范围**: - **基础版**:单周期RV32I(支持40+指令) - **进阶版**:三级流水线(需处理数据冒险) 2. **风险预警**: - 最大挑战:**访存延迟处理**(建议使用Block RAM) - 常见错误:未处理指令对齐(需添加`misaligned exception`) 3. **效率提升技巧**: - 复用开源组件(如PicoRV32的CSR模块) - 使用预生成的测试向量(RISCV-Tests) 如果严格按计划执行,每天保持**高质量代码产出+3小时仿真调试**,完成基础版CPU完全可行。建议使用**Vivado非工程模式**(脚本化流程)节省编译时间。
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