RISC-V 32IM处理器流水线设计

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Basic five-stage pipeline in a RISC machine RISC-V 5 级流水线设计，支持 RV-32IM 指令集

TODO:

5 级流水线上的功能部件

Total instructions amount = 37+3 = 40

IF(Instruction Fetch)

  1. 2x1 Mux：选择下一条 PC

    nextPC 相关指令数量 相关指令 PC 来源
    pc+signExt(offset) 7 branch(6), JAL EXE
    x[rs1]+signExt(offset) & ~1 1 JALR EXE
    pc+4 29 others IF

  2. PC register(IF register): 缓存 mux 的 pc

  3. instruction memory

ID(Instruction Decode)

  1. data register:
    • 2 组读端口：任何时刻都可以读出
    • 1 组写端口: 在时钟上升沿写入
  2. decoder
  3. extending unit
  4. ID register: 缓存 IF 需要传递给 ID 的数据，如 instruction, PC, PC+4 及 decoder 的控制信号

EXE(Execution)

  1. ALU
  2. 3x1 Mux: 实现 bypass
  3. Adder：计算 Target PC，跳转结果判断可以复用 ALU
  4. Branch Unit: 判断分支跳转是否发生
  5. Target PC generator:
    • PC=PC+Imm: B-Type and JAL
    • PC=(PC+Imm) & ~(-1): JALR
  6. EXE register: 缓存 ID 需要传递给 EXE 的数据

MEM(Memory Access)

  1. data memory
  2. MEM register
  3. MEM register: 缓存 EXE 需要传递给 MEM 的数据

WB(Write Back)

  1. 4x1 Mxu: 选择写回到 x[rd]的数据(ALU, Imm, PC+4, Memory)
  2. WB register: 缓存 MEM 需要传递给 WB 的数据

RV-32I 中设计到的 load/store 指令有如下 8 条:

  • LB
  • LH
  • LW
  • LBU
  • LHU
  • SB
  • SH
  • SW
Instruction Assemble Code Demo Type Math Description
LB lb rd, (offset)rs1 I-Type \(x[rd]=signExt(M[x[rs1]+signExt(offset)]_{[7:0]})\)
LH lh rd, (offset)rs1 I-Type \(x[rd]=signExt(M[x[rs1]+signExt(offset)]_{[15:0]})\)
LW lw rd, (offset)rs1 I-Type \(x[rd]=M[x[rs1]+signExt(offset)]_{[31:0]}\)
LBU lbu rd, (offset)rs1 I-Type \(x[rd]=Ext(M[x[rs1]+signExt(offset)]_{[7:0]})\)
LHU lhu rd, (offset)rs1 I-Type \(x[rd]=Ext(M[x[rs1]+signExt(offset)]_{[15:0]})\)
SB sb rs2, offset(rs0) S-Type \(M[x[rs1]+signExt(offset)]=x[rs2]_{[7:0]}\)
SH sh rs2, offset(rs0) S-Type \(M[x[rs1]+signExt(offset)]=x[rs2]_{[15:0]}\)
SW sw rs2, offset(rs0) S-Type \(M[x[rs1]+signExt(offset)]=x[rs2]_{[31:0]}\)

S-Type 里没有 rd 寄存器

访存指令的流水线映射

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Load 指令

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load 指令有 5 条, load 指令都是 I-Type 的指令，其编码格式为:

31, 20 19, 15 14, 12 11, 7 6, 0
imm[11:0] rs1 funct3 rd opcode
offset[11:0] base 000->101 dest 0000011
  1. IF(Instruction Fetch): PC+=4
  2. ID(Instruction Decode):
  3. EXE(Execution)
  4. MEM(Memory Access)
  5. WB(Write Back): 在 clk 上升沿将 memory 中读到的数据存入到 x[rd]

Store 指令

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Store 指令有 3 条，都是 S-Type 指令，其编码格式为:

31, 25 24, 20 19, 15 14, 12 11, 7 6, 0
imm[11:0] rs2 rs1 funct3 imm[4:0] opcode
offset[11:5] src base 000->010 offset[4:0] 0100011