RISC-V处理器 (二.处理器的基本构成)

本文为通过Verliog HDL编写简易RISC-V CPU的试验笔记，如有错误敬请指正。

电路建模

复杂电路通常使用自顶向下的设计方法，先决定电路所需的功能，划分出实现功能的各个子模块，确保顶层设计无逻辑错误后，再进行各子模块的设计。

处理器的结构总是与指令集相关，对于RISC-V指令集，处理器需要按指令集的要求对数据进行处理操作。

一. 指令行为分析

对于任意一条RISC-V指令，它在处理器中的执行步骤皆可概括如下。

获得指令

从外部或储存器获得当前需要执行的指令，如：ADD rd rs1 rs2；

分析指令

获得指令后，使可以按指令的内容进行执行，但电路中指令以二进制方式储存，电路得到的只是32位的0、1，不能直接用于执行。为使电路"理解"指令的内容，需要对指令进行"翻译"以得到电路控制讯号。

对此，处理器须加入一个译码模块，作用按指令内容为生成电路各模块的控制讯号。

如对$ADD\_Rd\_Rs1\_Rs2$进行分析，得知ALU执行加法操作，数据来源A的地址为Rs1，数据来源B的地址为Rs2；运算结果保存至Rd。此时应设定电路为寄存器取数据的加法模式。

实例：$00F707B3_{16} = 0000000_{(funct7)}01111_{(rs2)}01110_{(rs1)}000_{(funct3)}01111 _{(rd)}0110011_{(opcode)2}$进行译码，从$Opcode = 0110011_2$得知为R-Type类型，从$Funct 3 = 000$得到电路执行加法操作，数据来源A的地址为$Rs1 = 01110_2$，数据来源B的地址为$Rs2 = 01111_2$，运算结果保存至$Rd = 01111 _2$。

附注：在实际的电路译码中，不分析Rs1,Rs2,Rd的信息，而是根据Opcode及指令中的其他信息位设置数据通路与算朮单元。

取得数据

寄存器获取

出于节省指令长度，方便数据调用等考量，指令中并不直接包含需操作的32位数据。而是记录了储存数据的5位地址数据。处理器通过5位地址对储存单元进行访问，间接得到所需的运算数据。在这一步中，处理器中需要$2^5=32$个32位寄存器组以储存临时数据。

如：$ADD\_Rd\_Rs1\_Rs2$，结果储存至Rd，数据来源A的地址为Rs1，数据来源B的地址为Rs2；从Rs1,Rs2中获得寄存的32位数据。

附注：在处理器中，少量的临时数据被储存于寄存器而非内存，其特点为访问速度快，需要时可直接进行存放以获得数据，若储存于内存则至少需要占用一个指令周期以获得数据。

立即数扩展

对于立即数形式指令，其运算数据被部份地储存于指令当中，一般为12位(I-Type)或20位(J-Type)。不符合32位操作数的标准，需要对数据进行扩展以得到完整的32位操作数。在RISC-V中，大部分立即数皆按有符号数进行扩展处理。

如：$ADDI\_Rd\_Rs1\_99$，结果储存至Rd，数据来源A的地址为Rs1，数据来源B为指令中储存的99，$99_{10} = 0110\_0011_2$，但输入为32位，扩展为$99_{10} = 0…(22位0)…0\_ 0110\_0011_2$。

附注：符号扩展，由于立即数通过补码保存，正数的补码表示为其自身的二进制值，负数的补码表示为自身的二进制值取反加一，如$7_{10} = 0111_2；-7_{10} = 1001_2$，为7的4位二进制表示，若以8位表示则有$7_{10} = 00000111_2；-7_{10} = 11111001_2$，把4位二进制扩展为8位，只需判断数据的符号位（最高位），随后随扩展每一位值与最高值相同即可。

数据处理

参考指令集中定义的几种数据处理方式，分别有算朮加法、按位与、按位或、左右移。对数据的处理一般通过算朮逻辑单元（ALU）进行处理。

数据储存

假若处理结果不被保存或不改变状态机，则数据运算显得毫无意义。对大部分指令而言，数据的处理结果需要重新写回至寄存器组中等待后续指令的调用。又或是通过Store指令储存至"大型"储存器，如内存当中。

二. 逻辑框图

下为RISC-V处理器的基础构成框图，其组成与上述提到的指令执行步骤相差不大。

三. 模块划分

数据通路

数据通路是处理器的重要构成部份，主要负责模块间的数据传递。主要的部件为受译码模块控制的数据选择器。译码器通过选择器控制各模块的输入数据，例如选择ALU运算数据从寄存器或是立即数单元进行输入。

数据通路的设计需与指令相配合，对于RISC-V指令集的指令执行流程，可以得到一种数据通路设计如上。

程序计数器

在处理器中，指令一般被顺序存放于存储器，存储器的特点时访问数据时需提供地址，随后存储器通过地址取得被储存的数据。因此，程序计数器的核心为记录当前执行的指令计数，随后通过此计数值于存储器中读出相应的32位指令码。

在RISC-V中，若不考虑跳转与分支等情况，则PC在每条指令执行完毕后自增4。对应的电路为一组32位触发器及一个32位加法器。

指令储存器

存放指令的存储区域，可以是专用的指令储存器，亦可以是内存中特定的一块区域。

译码模块

翻译指令编码为控制讯号的电路，一般需与数据通路及其他模块协同设计。作为例子，译码器需为算朮逻辑单元提供操作码，以确保算朮逻辑单元的行为正确。亦需为数据通路中的各数据选择器提供操作讯号，确保各模块的输入数据正确。

寄存器组

处理器临时存放程序数据的寄存器，寄存器组的加入使程序数据能被迅速取用而无需专门访问内存空间，减少电路的延时。

算朮逻辑单元（ALU）

算朮逻辑单元的行为与使用的指令集有重要关系。对于RV32I指令集，指令集中包含了加减法、与、或、或非、移位、比较等操作指令。对应地需为ALU设计加法器及逻辑单元，从而实现指令集规定的操作行为。

随机存储器（RAM）

随机存储单元用于大规模地保存程序中的数据，对于大型程序，32个寄存器并不足以存放所有程序数据，但增加寄存器将导致地址位宽的进一步上升，使指令体系变得臃肿。因此必须使用规模更大，代价更低的器件以储存大量的运行数据。其中随机存储单元由于成本相对较低，数据可随机存放等特点而被广泛用于数据存储中。

附注：随机存储器中随机二字不是指获取的数据随机，而是指电路可以非顺序的方式读取储存器中的数据。如磁带、CD、硬碟等存储介质需从数据起始点开始一个个数据读取，而不能直接读取某一位置的数据。而随机存储器则可直接读出存储器中指定的数据，因此称为随机存储器。