08 动手实现CPU-基于riscv指令集学习记录 单周期CPU

最新推荐文章于 2024-08-12 17:59:04 发布
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本人无计算机组成原理的知识，刚学习一生一芯B线的实现单周期CPU。本人推荐如下学习路线：
北京大学 MOOC 计算机组成 B站也可以搜到讲的很好
https://www.icourse163.org/learn/PKU-1205809805?tid=1450251478#/learn/content
一生一芯单周期CPU视频资料：https://www.bilibili.com/video/BV1Pd4y1c7DA/?spm_id_from=333.1007.top_right_bar_window_history.content.click
南京大学计算机组成与数字电路资料：
https://nju-projectn.github.io/dlco-lecture-note/exp/11.html

指令系统设计需求

算术逻辑单元：ALU

根据南京大学数电实验十实现ALU
在这里插入图片描述

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立即数拓展部件

由于在读取数据LOAD以及处理立即数的时候都会存在符号拓展的问题，故需要此部件
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程序计数器（PC）

需要实现单个始终选择跳转的目的PC或者下一个PC，可以理解为DNPC（动态下一个PC）与SNPC（静态下一个PC）
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寄存器堆

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Ra可等效为：rs1 Rb可等效为：rs2 Rw等效为：rd
busA与busB为组合逻辑输出。

RegWr为写入使能线。
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存储器

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HappyGuya
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RISC-V CPU设计(一)---RV32I指令集介绍
qq_40268672的博客
03-11 3506
RV32I是RISC-V最基本的指令集，包括6种,其中4种为核心的类型（R/I/S/U）。下面给出了这6种指令的格式 指令详情如下 R型指令 包含两个源寄存器和一个目的寄存器编号，都是5位的（32个寄存器）,指令的执行过程较为简单： Reg[rd]=Reg[rs1] op Reg[rs2] I型指令 I型指令分为三类，分别为寄存器-立即数型、LOAD型和JALR型，下面分别作一介绍 寄存器-立即数型 比如ADDI指令，执行的操作为 Reg[rd]=Reg[rs1] op Imm LOAD型 包括LW,L
riscv-cpu:简单的单周期RISC-V CPU
04-10
单周期CPU 简单的单周期RISC-V CPU 目录 目录结构 ├── Core │   ├── ALU │   │   ├── AddSubUnit │   │   │   ├── add_sub32.v │   │   │   └── CLA │   │   │   ├── cla_16bit.v │   │   │   ├── cla_32bit.v │   │   │   ├── cla_4bit.v │   │   │   └── cla_8bit.v │   │   ├── alu.v │   │   └── Shifter │   │   └── shifter.v │   ├── control_unit.v │   ├── dff.v │   ├── imm_decode.v │   ├── mux.v │   ├── regfi
基于RISC-V架构的45条指令单周期CPU设计——第2章
Weng Shihao's blog
01-20 1426
完整目录 完整代码和论文 各部件功能设计 1、取指部分 PC pcAdder instMem 2、译码部分 ID 3、访存部分 regFile 4、立即数扩展部分 IE 5、ALU部分 ALU 6、存储器部分 dataMem 7、多路选择器部分 mux_From_rs1_PC_To_ALU mux_From_rs2_IE_To_ALU mux_From_PC_rs1_To_PC mux_From_rs2_To_mem mux_From_ALU_mem_ToReg ....
基于RISC-V架构的45条指令单周期CPU设计——第4章
Weng Shihao's blog
01-21 786
完整目录 完整代码和论文 数据通路设计 RTL 版 手绘版
单周期十条指令CPU设计与verilog实现（Modelsim）
欢迎来到 Baret-H 的博客
01-26 6364
目录一、实验目的二、实验内容三、实验原理1. 规定2. 原理图四、实验步骤1. CPU各部件实现pcinsMemaccalucudataMem2. CPU例化实现3. 编写测试文件4. 仿真结果及分析1. 清除累加器指令CL2. 累加器取反指令COM3. 算术右移一位指令SHR4. 循环左移一位指令CSL5. 加法指令ADD6. 存数指令STA7. 取数指令LDA8. 无条件转移指令JMP9. 有条件转移指令BAN10. 停机指令STP 一、实验目的 通过设计并实现支持 10 条指令的CPU，进一步理解和
吃透Chisel语言.39.Chisel实战之单周期RISC-V处理器实现（上）——需求分析和初步设计
github-3rr0r的博客
12-14 3038
首先明确我们要做的是什么，这个在标题里面已经说明了，我们要做的是一个单周期RISC-V处理器。但光是个短语不足以支撑我们开展项目，我们需要对项目目标做进一步的明确，也就是需求分析。需求分析结束之后，就可以开始我们的初步设计了！
基于RISC-V架构的单周期CPU设计及其Verilog实现
11-09
内容概要：本文详细介绍了基于RISC-V架构的单周期CPU...阅读建议：读者应逐步学习各个模块的设计思路和实现细节，并尝试自己动手实现完整的单周期CPU。结合实际硬件平台进行测试和调试，进一步加深理解和掌握相关技术。
机组大作业：基于RISC-V架构的45条指令单周期CPU设计
01-20
在本机组大作业中，我们将深入探讨基于RISC-V架构的单周期CPU设计。RISC-V，全称为“Reduced Instruction Set Computer - Version 5”，是一种开放源代码的指令集架构，旨在提供简单、高效且可扩展的计算平台。这个...
RISC-V 32单周期处理器CPU工程：Vivado开发，SystemVerilog编写，结构简洁，仿真运行，附中文手册与指令集文档,riscv 32单周期处理器cpu，工程基于vivado，指令集
02-02
附中文手册与指令集文档,riscv 32单周期处理器cpu，工程基于vivado，指令集rv32i,systemverilog编写，结构简单，指令存在ram中，可仿真，代码结构清晰，适合初学者学习，并赠送包括riscv中文手册和riscv指令集文档的...
基于RISC-V架构的单周期CPU设计
weixin_43199439的博客
08-12 1306
通过本项目，我们深刻理解了基于RISC-V架构的单周期CPU设计的复杂性和挑战。成功实现的45条指令为后续的更复杂设计奠定了基础。设计过程中，关键组件之间的协调与控制信号的生成是实现功能的重点。
RISCV架构单周期CPU设计
weixin_45209331的博客
03-02 1069
riscv架构单周期cpu设计
MipsOnBusCpu-3.circ
06-06
华科计算机组成原理实验 单总线CPU设计(定长指令周期3级时序) logisim文件 educoder平台通关
基于RISC-V架构的45条指令单周期CPU设计——第0章
Weng Shihao's blog
01-20 2133
摘要： 对于 RISC-V 架构，本文实现了一种基于此架构的 45 条指令单周期非流水线 的 CPU。实现方式是事先设计好指令所需的组件、各类控制信号的取值、各类指 令的数据通路，然后基于 Vivado2018.3 用 Verilog 语言进行硬件描述将以上思 路实现。其中，用 Vivado2018.3 自带的行为仿真进行 45 条指令的行为级测试， 所有指令测试均通过，打包生成 IP，连接 PYQN 开发板和相应的 IO 接口，将打 包好的设计生成比特流，在 PYNQ 开发云 1 平台运行事先写好在 CP
计算机组成原理实验——五、单周期CPU设计
qq_50737715的博客
01-03 3673
实验目的 1. 掌握指令执行过程的5个阶段 2. 掌握每条指令的数据通路选择 3. 掌握译码器和控制器的功能和实现 4. 掌握数据输入输出处理的方法 5. 实现risc-v中RV32I指令的单周期CPU 6. 利用实现的risc-v CPU实现平方数 二．实验内容 1. 实现risc-v中37条RV32I指令的单周期 cpu； 2. 完成1后在该cpu上实现斐波那契数。
和你一起从零开始写RISC-V处理器(2)
qq_40491102的博客
05-08 2012
RISC-V加法指令的实现(Ⅱ)，附工程文件获取方法！
自己手写RISCV架构CPU-3 or指令验证
qq_42248523的博客
11-08 1013
RISCV
定长指令周期---时序发生器FSM设计
好好学习，天天向上
06-21 3220
定长指令周期---时序发生器FSM设计
一生一芯 算术逻辑部件 ALU verilog浅析与实现
m0_51194302的博客
09-15 1960
本文记录了笔者参加“一生一芯”项目开发ALU的过程，并附上了相关基础知识、代码，可供新手参考。
头歌实践教学平台 RISC-V流水CPU设计---HUST
m0_61820263的博客
06-13 3599
一般建议本地的 jar 文件和 cpu.circ 文件在同一目录下，如果出现这个问题，可以将本地 cs3410.jar 先移动到 cpu.circ 同目录下后，打开 cpu.circ，logisim 会提示找不到 cs3410.jar，重新指向同目录 cs3410.jar，存盘退出，再重新上传电路文本内容，即可解决这个问题。由于24条指令的测试程序benchmark节拍周期数过多，所以会输出大量信息，educoder平台不支持，所以本测试中使用了精简模式，左侧测试用例部分这里仅仅输出表头，如下图所示。
如果我想从零开始在FPGA上设计和实现一款基于RISCV指令集的CPU，该cpu支持RISCV的RV32I指令集，那么我应该重点学习什么内容呢。
最新发布
03-17
<think>好的，用户想从零开始在FPGA上设计和实现一款支持RV32I指令集的RISC-V CPU，需要知道该重点学习什么。首先，我得考虑用户可能的技术背景。用户可能有一定的数字电路和计算机体系结构基础，但可能对FPGA和RISC-V具体细节不太熟悉。 首先，用户需要理解RISC-V指令集，特别是RV32I。RV32I是基础整数指令集，包括47条指令，涉及算术、逻辑、控制流、内存访问等。用户需要熟悉每条指令的格式、编码和功能，比如不同的指令类型（R型、I型、S型、B型、U型、J型）以及它们的操作码和功能码。推荐阅读官方手册，这是最权威的资料，避免误解。 接下来是CPU架构设计。RISC-V通常采用五级流水线：取指、译码、执行、访存、写回。用户需要了解每个阶段的功能以及如何衔接，同时处理流水线冒险，比如数据冒险、控制冒险和结构冒险。数据冒险可能需要旁路或流水线暂停，控制冒险涉及分支预测或延迟槽。用户可能需要学习经典的单周期、多周期和流水线设计区别，选择适合FPGA实现的架构。 数字电路设计基础也是关键。Verilog或VHDL是必需的，用户需要熟练掌握组合逻辑、时序逻辑、状态机设计等。FPGA开发流程包括设计输入、综合、布局布线、下载调试，工具链如Vivado或Quartus的使用方法。此外，仿真工具如ModelSim或iverilog对验证设计正确性非常重要，能够编写测试平台和测试用例。 系统集成与验证部分，用户需要将CPU核与内存控制器、外设接口等集成，了解总线协议如Wishbone或AXI，这些用于连接不同模块。验证方面，除了单元测试，还需要整体验证，可能使用形式化验证或参考模型对比。启动引导程序（Bootloader）和简单的操作系统移植也是后续步骤，但可能超出初期目标，但了解整体流程有帮助。 参考资源方面，官方文档和开源项目是关键。RISC-V官方手册提供指令集和特权架构的详细信息。开源项目如PicoRV32、VexRiscv和Rocket Chip可以作为学习参考，尤其是PicoRV32结构简单适合初学者。书籍和课程方面，推荐《计算机组成与设计：RISC-V版》和在线课程，如Coursera的相关内容。 学习路径建议分阶段进行：先掌握指令集和数字电路基础，然后设计单周期CPU，再过渡到多周期和流水线，逐步增加功能和外设接口。调试和验证需要耐心，使用仿真工具和逻辑分析仪排查问题。参与开源社区和论坛如GitHub、Stack Overflow、RISC-V国际基金会论坛可以获取帮助和资源。 用户可能的潜在需求包括实际项目经验，因此推荐动手实践，从简单模块开始，逐步构建完整CPU。同时，用户可能对性能优化和扩展其他指令集（如乘除扩展M）感兴趣，但初期应专注于RV32I的核心实现。需要提醒用户注意时序约束、资源利用率以及FPGA型号的选择，不同型号的硬件资源和支持的IP核可能影响设计决策。</think>以下是从零开始设计RV32I RISC-V CPU的完整学习路线，按优先级分阶段说明（建议按顺序学习）： --- ### **一、前置知识储备** 1. **数字逻辑基础** - 组合逻辑（门电路、多路复用器、加法器） - 时序逻辑（触发器、寄存器、有限状态机） - 关键概念：时钟域、建立/保持时间、同步与异步设计 2. **计算机体系结构** - 冯·诺依曼架构与哈佛架构 - 指令执行流程（取指-译码-执行-访存-写回） - 流水线技术原理与冒险处理 3. **硬件描述语言（HDL）** - **Verilog重点语法**： ```verilog // 组合逻辑示例：ALU加法模块 module adder(input [31:0] a, b, output reg [31:0] sum); always @(*) begin sum = a + b; // 持续赋值逻辑 end endmodule // 时序逻辑示例：PC寄存器 module pc_reg( input clk, rst, input [31:0] next_pc, output reg [31:0] current_pc ); always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) current_pc <= 32'h0; else current_pc <= next_pc; end endmodule ``` --- ### **二、RISC-V核心知识** 1. **RV32I指令集详解** - **7种指令格式**（R/I/S/B/U/J）： $$ \text{R-type: } \text{opcode | rd | funct3 | rs1 | rs2 | funct7} $$ $$ \text{I-type: } \text{opcode | rd | funct3 | rs1 | imm[11:0]} $$ - **关键指令分类**： - 算术指令：`ADD`, `SUB`, `ADDI` - 逻辑指令：`AND`, `OR`, `XORI` - 控制指令：`JAL`, `BEQ`, `BGE` - 内存访问：`LW`, `SW` 2. **特权架构** - CSR寄存器（mstatus, mtvec, mepc） - 中断与异常处理机制 - 内存地址空间布局（需实现M-Mode） --- ### **三、CPU模块化设计** #### 1. **核心模块划分** | 模块 | 功能描述 | 实现难点 | |---------------|------------------------------|---------------------------| | 取指单元(IF) | PC生成、指令读取 | 分支预测/指令对齐 | | 译码单元(ID) | 指令解析、寄存器堆读取 | 立即数符号扩展 | | 执行单元(EX) | ALU运算、跳转判断 | 数据旁路(Forwarding) | | 访存单元(MEM) | 数据内存访问 | Load/Store地址对齐 | | 写回单元(WB) | 寄存器写回 | 写冲突处理 | #### 2. **关键组件实现** - **ALU设计示例**： ```verilog module alu( input [31:0] a, b, input [3:0] alu_op, output reg [31:0] result ); always @(*) begin case(alu_op) 4'b0000: result = a + b; // ADD 4'b0001: result = a - b; // SUB 4'b0010: result = a << b[4:0];// SLL 4'b0011: result = a ^ b; // XOR // ... 其他操作 endcase end endmodule ``` - **流水线寄存器**： ```verilog module pipeline_reg_EX_MEM( input clk, rst, input [31:0] alu_result_in, output reg [31:0] alu_result_out ); always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) alu_result_out <= 32'h0; else alu_result_out <= alu_result_in; end endmodule ``` --- ### **四、FPGA实现要点** 1. **开发工具链** - Xilinx Vivado / Intel Quartus 工程管理 - 综合约束文件（.xdc）编写示例： ```tcl create_clock -period 10 [get_ports clk] set_input_delay 2 -clock clk [get_ports rst] ``` 2. **验证方法论** - **测试策略**： | 测试层级 | 工具 | 覆盖率目标 | |-------------|----------------|------------------| | 模块级 | Verilator | 分支覆盖>95% | | 系统级 | RISCV-Tests | 官方测试套件通过 | | FPGA实测 | ILA逻辑分析仪 | 时序违例清零 | - **验证代码片段**： ```verilog initial begin // 加载测试程序到指令内存 $readmemh("tests/add_test.hex", imem); // 监控关键信号 $monitor("PC=%h, instr=%h", pc, instr); end ``` --- ### **五、推荐学习资源** 1. **官方文档**： - [RISC-V Specification 20191213](https://riscv.org/technical/specifications/) - 《The RISC-V Reader: An Open Architecture Atlas》 2. **开源参考实现**： - **PicoRV32**（最简实现约1500行Verilog） - **SERV**（位串行设计，资源占用极低） 3. **进阶扩展路线**： ```mermaid graph LR A[RV32I基础实现] --> B[添加CSR模块] B --> C[实现中断控制器] C --> D[添加乘法扩展M] D --> E[移植Zephyr RTOS] ``` 建议从单周期CPU开始，逐步过渡到三级流水线，最终实现五级流水线。实际开发中需重点关注时序收敛（通过布局布线报告分析关键路径）和资源利用率（LUT/FF使用量）。
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