RISC-V单周期处理器设计（指令和控制器）（二）_基于riscv指令集的单周期处理器

指令和控制器

数据通路在上一篇文章中已经讲解了，接下来就是另一部分：控制器和指令。

1.指令

首先说明一下我准备设计的这一款单周期处理器支持的指令：

1.基本R型指令

add，sub（加减），sll，srl，sra（移位），and，or，xor（逻辑运算）

R型指令：主要就是一些基本的寄存器中数据过ALU的操作，相对容易。

2.基本I型指令和load指令

addi，subi（立即数加减），slli，srai，srli（立即数移位），andi，ori，xor（立即数逻辑运算）

load指令

基本I型指令：上面的R型改成寄存器与立即数之间操作就行，相对好实现一些。

主要是load指令，访存取数指令，这个相对特殊需要注意。

3.s型存储指令

store

只有将数据存储到内存中的指令。

4.jalr指令（jalr实际上是I型）

由于这个指令相对一般I型有所不同，单独处理

5.J型指令

jal

直接跳转指令

6.B型指令

beq，bne，blt，bge

主要是一些条件跳转类指令。

2.控制器

控制器实质：解析每条指令，给数据通路基于相应的控制信号，使数据通路可以按照指定的指令流动起来（自己的理解）

首先需要知道数据通路中那些位置都需要控制信号？

 首先看RTL图，可以看出输入只有一个，就是指令，输出则是各种控制信号。

上图给出了所需要的控制信号，我会依次讲解的。

1.RegWrite（寄存器写控制信号）

大致意思就是这条语句是否向寄存器中写入数据，我们回顾之前RISC-V指令集的知识，可以知道R型，I型，load指令，jal，jalr指令都需要向寄存器写入数值，具体可以看之前博客。

所以这个信号的判断标准就是判断改指令类型是否是上述类型，判断方法也很简单，就是判断每条指令的opcode是否为对应值。

2.ALUSrc（是否有立即数信号）

与上面分析方法一致，我们知道在RISC-V中有立即数的指令类型有：I型，s型，load指令。（对于jal，jalr其实也有立即数，但是我们这里不考虑因为它是直接在pc操作）

判断方法与上面一致，判断指令opcode是否为上面对应值

3.MemWrite（是否向内存中写入数据）

这个更好判断，我们知道RISC-V中只有S型指令需要向内存中写入数据，因此只用判断指令opcode是否为S型指令。

4.MemtoReg（是否从内存中读取数据）

与上面一致，我们知道只有load指令需要读内存，因此，只用判断指令opcode是否为load指令。

5.beq,bne,blt,bge,jal,jalr（指令判断）

如果对RISC-V指令结构熟悉的话，相信很好判断的。不做说明了。

6.ALUoperation和ALUop

事实上这两个是可以一起理解的。我们可以换位思考，假如我们是数据通路，面对各种类型的R型和I型指令，又该如何识别到底是移位操作还是算术操作那？着实际上就是通过fun3和fun7来控制的。具体如果实现可以参考代码。

代码链接：verilog单周期处理器（目前无流水线）（risc-v）-硬件开发文档类资源-CSDN文库

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总结

我自己的理解：如果看到这里都没有什么太大的问题，这就说明整体框架已经有了，没有什么大的问题了。接下来就是各个模块的设计和一些优化算法以及如果实现5级流水的细节问题了。接下来我也会写一些重要模块如寄存器堆，桶型移位器，超前进位加法器等等，期待大家的关注。