baocvcv / pipelined-riscv-cpu

A toy pipelined RISC-V CPU.

Thinpad

基本控制信号

信号名	作用	赋值
alu_a_src_sel[1:0]	00-rdata1, 01-pc, 10-0	普通数逻运算, load, store为 00; jal , jalr, auipc 为 01; lui 和 csr操作为 10
alu_b_src_sel[1:0]	00-rdata2, 01-4, 10-Imm，11-csr_data	普通数逻运算为 00/10，jal 和 jalr 为 01，lui 、load、store 和 auipc 为 10; csr操作11
reg_write	1 for write	当指令需要写寄存器时为 1 (alu, alu_imm, csr*); mret, ebreak, ecall 不需要写寄存器
reg_write_sel	0-from mem, 1-from alu	普通数逻运算、jal,jalr 为1，load 指令为 0
alu_op[?]	opcode for alu	jal,jalr,lui,auipc,store为加法，其余按照 func7 和 func3 设置
branch_flag	0-pc+4, 1-branch_target_addr	当跳转条件满足时为1（包括 bne,beq 满足条件和遇到 jal,jalr, mret, ebreak, ecall）
branch_addr_op[1:0]	00-Imm+pc, 01-Imm+rdata1, 10-csr_data	beq,bne,jal 时为00， jalr 为 01, mret，ebreak, ecall 为 10
mem_read	1 for read	load
mem_write	1 for write	store
byte_en		lb, sb...
imm_type	I, J, U ...	different types of immediates based on instruction.
csr_we		csr 指令需要写 csr 寄存器时 (csr*, mret， ecall, ebreak) 为 1 （csrrs, csrrc 在 rs1 为 x0 时不需要写寄存器）
csr_wdata_sel	000-data_rs1, 001-rs1&csr_rdata, 010-~rs1&csr_data, 011-mret_mstatus manip, 100-mcause data	csrrw 为 000，csrrs 为 001，csrrc 为 010, mret 为 011, ebreak, ecall 为 100
mepc_we	1 to update mepc	ecall, ebreak 为 1
csr_sel	csr_src_mux: 00-csr_buf, 01-mepc, 10-mtvec	csr* 为 00， mret 为 01， ecall, ebreak 为 10
	csr_rd_mux: 00-csr_buf, 01-mstatus, 10-mcause

冲突检测信号

信号名	作用	赋值
forward1[1:0]	00-rdata1, 01-alu_out, 10-mem_data_out	如果没有数据冲突，那么取 00；否则，判断前传的来源，如果最近的写入来自alu (RAW)，那么取 01，否则 (load-use) 取 10
forward2[1:0]	00-rdata2, 01-alu_out, 10-mem_data_out	（续）如果有 EXE 阶段的数据冲突：1）是数逻指令的结果，那么直接前传 2）是 load 指令的结果，那么 stall；如果是 MEM 阶段的数据冲突：数逻指令的结果 或 是 load 指令的结果，都直接前传；如果是 WB 阶段的冲突，那么 reg_file 支持 RAW 即可
bubble	1 for bubble (to flush the next instruction in IF stage)	branch taken (bne, beq), jalr, jal, mret, ecall, ebreak
stall[0]	1 for stall if, id, ex	load-use (ID_EXE.opcode == load && ID_EXE.rd = rs1 or rs2),*similar for csr **
		branch taken, jalr, jal, mret, ecall, ebreak
		memory module not done
stall[1]	1 for stall mem	memory module data not ready
forward_csr	0-csr_rdata from reg file, 1-ex_csr_wdata	如果 id 阶段读取的 csr 要被在 exe 或 mem 阶段执行的指令写入，那么置 1

memory controller logic

oe_n	we_n	mem_addr	bus	mem_oe	mem_we	data_z	data_out	addr
1	1	pc	z	0	1	1	pc[22] ? ext :base
0	1	addr	z	0	1	1	addr[22] ? :	8-
1	0	addr	data_in	1	0	0	-	8-
0	1	addr	z	1	1	1	base	1-
1	0	addr	data_in	1	1	0	base	1-

Exception handler

允许每个stage提出异常/中断请求，由exception handler 统一处理

• mem_controller 可以发出 paging 相关异常，分别给 if 和 mem 阶段，再转发给 exception handler
• id 可以触发异常指令异常
• ex, wb 无异常

csr 寄存器模块单独设置，负责 csr 的读写，与 exception handler 和各个阶段通信