RISC-V单周期处理器设计（基本介绍和数据通路）（一）_小张爱学习哦_单周期处理器

irpas 02-07 6876

一、设计步骤

1.处理器设计的基本规范：指令

包括处理器需要具有那些功能，需要注意的是处理器的功能是由指令唯一确定。

2.处理器设计方案（包括数据通路和控制器）

数据通路：指令执行过程中，数据所经过的路径，包括路径中的部件。它是指令的执行部件。

控制器：对指令进行编码，生成指令对应的控制信号，控制数据通路的动作。并且能对执行部件发出控制信号。是指令的控制部件。

二、常见类型指令的数据通路

每种指令的介绍可以参考我上一篇博客关于RISC-V指令集介绍

这里的数据通路包括：R型，I型，S型，B型，J型指令

1.R型数据通路

首先了解个个部件：

PC：程序计数器，单周期就是就是每个周期执行一条指令，每条指令执行完 PC+4(32位)到下一条指令

IM：指令存储器，我们写的一条条指令就放在指令存储器中，通过PC来判断取到了那一条指令。

RF:寄存器堆，R型指令包括三个寄存器 RS1,RS2,Rd。

ALU:运算单元，输入两个寄存器中的数据，通过ALU运算，将计算结果写回到Rd中。

R型指令：寄存器对寄存器操作。数据通路运行如下：通过clk控制pc从IM中取指令，指令送入寄存器堆（RF）中，从寄存器堆(RF)中取出数据送入运算单元(ALU)进行运算，运算结果重新存储到寄存器堆(RF)中。

I型数据通路

?需要注意：我们是要设计一个支持多种指令的数据通路，因此I型不要有新的数据通路，而是要在R型指令的基础上有一点小的改变实现。

首先讲解I型指令：立即数与寄存器操作，或者访问存储器操作。两者的区别在于访存类指令是把存储器中的值写回寄存器堆，而其他类型I型指令是把ALU运算结果写回到寄存器堆。

添加的部件

1.存储器模块(DM)：通过ALU计算出访存地址，从存储器中去除数据放入寄存器堆中。

2.立即数生成模块（EXT）：从数据通路中提取出立即数。注意不同类型的指令立即数存储格式不太一样，这个在我指令集那一篇博客中有讲解。

2.选择器：两个选择器，一个是送入ALU中数据的选择器，第二个是DM和ALU计算结果的选择。

I型指令：立即数与寄存器堆操作。数据通路如下：通过clk控制pc从IM中取指令，指令送入寄存器堆（RF）和立即数生成单元（EXT）中，从寄存器堆(RF)中取出数据与立即数生成单元（EXT）数据共同进入运算单元(ALU)进行运算，运算结果通过选择器直接（或者访存，将内存中数据）写回寄存器堆。

S型指令数据通路

解释：S型指令与访存类指令其实是一个相反的过程，S型指令是把ALU结果存储的存储器（DM）中去（S型指令不需要写会寄存器堆，也不需要增加其他模块）。

S型指令：将rs2寄存器中的值存储到rs1寄存器偏移立即数位地址中去。数据通路如下：通过clk控制pc从IM中取指令，指令送入寄存器堆（RF）和立即数生成单元（EXT）中，从寄存器堆(RF)中取出数据与立即数生成单元（EXT）数据共同进入运算单元(ALU)进行运算，运算结果作为写入DM的地址，而写入地址中的值是另一个寄存器中的值，具体可以观察上图数据通路。

B型数据通路

??B型指令主要是条件跳转，满足条件要经行跳转，这里跳转实际上是PC指针的跳转（可以想象C语言函数的调用），因此需要比较是否满足条件，还有PC=（PC+立即数）或者（PC+4）。

添加的部件

CMP:比较部件，比较两个寄存器中的值是否相等，是否满足跳转的条件。

两个选择器：一个是判断PC=（PC+立即数）还是（PC+4）。另一个是判断送入A（RS1寄存器中的值）还是PC的值进入ALU。

B型指令：判断两个寄存器值关系（大于，小于，或者相等），满足对应指令条件，PC跳转。数据通路：通过clk控制pc从IM中取指令，指令送入寄存器堆（RF）和立即数生成单元（EXT）中，判断两个寄存器中数据的关系，满足条件PC跳转到PC+立即数位置去，不满足条件则不跳转。

J型数据通路

只增加了蓝色的那一条线

这里很好理解，J型与B型的区别在于，B型是有条件跳转，而J型则是无条件跳转，同时J型需要把PC+4存储到寄存器堆中。

J型指令：将pc+4存储到rd寄存器中，同时pc跳转到pc+立即数位置去。数据通路不在解释，与上面类似。

改进：这几天思考我向pc+4和pc+立即数这样的操作其实没必要使用ALU来完成，不如直接使用一个加法器实现，因此对上面的数据通路做了一个小的改变（主要是写代码的是否变了）

总结

上文中主要讲解了，RISC-V的数据通路基本部分，但是我们发现上面有很多的选择器，而每个选择器其实都要有对应的控制信号，那这些控制信号怎么产生那？还有这么多条指令，有如何识别对应的指令那？这就需要说的另一个重要组成部分，控制器。它是负责给数据通路对应的控制信号，同时判断指令类型的。下一篇博客我将会讲解我自己学习控制器的部分。

我对学习RISC-V踩过的坑：不要一上来就急于直接看代码。学习RISC-V时，首先要理解RISC-V指令集，我的上一篇博客就是讲解自己理解的一些基本指令集，接下来就是要学习各种指令类型对应的数据通路。接下来理解控制器。最后就是各各模块的代码编写了。后续我也会把自己各各模块写入博客，期待大家的关注。

上文的数据通路也是我自己查资料，看视频理解的，可能存在一些错误，还望各位指点。