# Лабораторная работа 6 "Тракт данных"
Микроархитектуру можно разделить на две части: тракт данных и устройство управления. По тракту данных перемещаются данные (из памяти инструкций, регистрового файла, АЛУ, памяти данных, мультиплексоров), а устройство управления (основной дешифратор команд) получает текущую инструкцию из тракта и в ответ говорит ему как именно выполнить эту инструкцию, то есть управляет тем, как эти данные будут через тракт данных проходить.
## Цель
Описать на языке **SystemVerilog** процессор с архитектурой **RISC-V**, реализовав его тракт данных, использую ранее разработанные блоки, и подключив к нему устройство управления. В рамках этого трека лабораторных работ требуется реализовать только поддержку обработки слов (то есть БЕЗ инструкций связанных с байтами и полусловами: `lh`, `lhu`, `lb`, `lbu`, `sh`, `sb`).
## Ход работы
1. Изучить микроархитектурную реализацию однотактного процессора RISC-V (без поддержки команд загрузки/сохранения байт/полуслов)
2. Реализовать тракт данных с подключенным к нему устройством управления([#задание](#задание))
3. Подготовить программу по индивидуальному заданию и загрузить ее в память инструкций
4. Сравнить результат работы процессора на модели в **Vivado** и в симуляторе программы ассемблера
## Микроархитектура RISC-V
### riscv_core
Рассмотрим микроархитектуру процессорного ядра `riscv_core`.
В отличие от реализованного ранее процессора с архитектурой Cybercobra, в данном модуле отсутствует память (она подключается извне, а значит у этого модуля должны быть сигналы интерфейса памяти).
Кроме того, в данной микроархитектуре используется пять различных видов констант (соответствующих определенным типам инструкций).
Константы `I`,`U`,`S` используются для вычисления адресов и значений. Поэтому все эти константы должны быть подключены к АЛУ. А значит теперь, для выбора значения для операндов требуются мультиплексоры, определяющие что именно будет подаваться на АЛУ.
Обратите внимание на константу `imm_U`. В отличие от всех остальных констант, она не знакорасширяется, вместо этого к ней приклеивается справа 12 нулевых бит.
Программный счетчик (`PC`) теперь также изменяется более сложным образом. Поскольку появился еще один вид безусловного перехода (`jalr`), программный счетчик может не просто увеличиться на значение константы из инструкции, но и получить совершенно новое значение в виде суммы константы и значения из регистрового файла (см. на самый левый мультиплексор схемы).
Поскольку обращение во внешнюю память требует времени, необходимо останавливать программный счетчик, чтобы до конца обращения в память не начались исполняться последующие инструкции. Для этого у программного счетчика появился управляющий сигнал `stall_i`. Программный счетчик может меняться только когда этот сигнал равен нулю (иными словами, инверсия этого сигнала является сигналом `enable` для регистра `PC`).
### riscv_unit
После реализации процессорного ядра, к нему необходимо подключить память. Это происходит в модуле `riscv_unit`.
Обратите внимание на регистр `stall`. Этот регистр и будет управлять разрешением на запись в программный счетчик `PC`. Поскольку мы используем блочную память, расположенную прямо в ПЛИС, доступ к ней осуществляется за 1 такт, а значит, что при обращении в память, нам необходимо "отключить" программный счетчик ровно на 1 такт. Если бы использовалась действительно "внешняя" память (например чип DDR3), то вместо этого регистра появилась бы другая логика, выставляющая на вход ядра `stall_i` единицу пока идет обращение в память.
## Задание
Реализовать ядро процессора `riscv_core` архитектуры RISC-V по предложенной микроархитектуре. Подключить к нему память инструкций и память данных в модуле `riscv_unit`. Проверить работу процессора с помощью программы, написанной на ассемблере RISC-V по индивидуальному заданию, которое использовалось для написания программы для процессора архитектуры CYBERcobra.
### Как инициализировать память инструкций новой программой
Поскольку теперь ваш процессор почти полностью соответствует спецификации RISC-V, вы можете пользоваться существующими компиляторами, а значит, теперь для написании программы можно воспользоваться языком ассемблера RISC-V (помните, что пока вы не поддерживаете инструкции `lh`, `lhu`, `lb`, `lbu`, `sh`, `sb`).
Обычно ассемблеры выдают код собранной программы в виде шестнадцатеричных строк. При записи программы в файл инициализации, вы должны убрать префикс `0x`, если таковой имеется, поскольку системная функция инициализации памяти `$readmemh` и так уже настроена читать в шестнадцатеричном формате.
Кроме того, поскольку каждая ячейка памяти занимает 8 бит, необходимо разбить строки инструкции на отдельные байты. Однако после того как вы это сделаете, нарушится порядок байт. Микроархитектурная реализация процессора построена с использованием порядка байт под названием **Little endian**. Это означает, что старший байт инструкции должен располагаться по старшему адресу, младший байт инструкции — по младшему (привязка к **Little endian** вытекает из двух модулей: памяти инструкций и декодера инструкций). Проблема заключается в том, что функция `$readmemh` загружает байты, начиная с младших адресов.
Предположим, мы описываем содержимое памяти инструкций и у нас есть очередная инструкция `0xDEADBEEF` (`jal`). Если она должна быть размещена в памяти, начиная с адреса `4`, то байт `EF` должен находиться по 4-ому адресу, байт `BE` — по пятому и т.п. Допустим, мы разделили байты инструкций символами переноса строк (и что строки в файле нумеруются с нуля). Тогда соответствие между строкой, байтом инструкции и адресом в памяти, где этот байт должен быть расположен будет следующим:
Если после разделения инструкции переносами, мы не изменим порядок байт в файле, при считывании файла САПР будет инициализировать память наоборот: ячейка с младшим адресом будет проинициализирована строкой с младшим номером. Если оставить все как есть, процессор считает из памяти инструкцию `0xEFBEADDE` (вместо jal получаем нелегальную инструкцию, т.к. младшие 2 бита не равны 1).
Чтобы данные легли в память в нужном порядке, **необходимо изменить порядок следования байт в текстовом файле**. Современные текстовые редакторы поддерживают режим множественных курсоров, что позволяет довольно быстро выполнить данную процедуру.
Пример такого редактирования
В VSCode дополнительные курсоры создаются либо через `alt+ЛКМ`, либо через `alt+ctrl+UP`, `alt+ctrl+DOWN`. Vivado так же поддерживает множественные курсоры (проведя мышью с зажатой ЛКМ вдоль нужных строк при зажатой клавише `Ctrl`).
Напишем простую программу, которая использует все типы инструкций для проверки нашего процессора. Сначала напишем программу на ассемблере:
```assembly
00: addi x1, x0, 0x75С
04: addi x2, x0, 0x8A7
08: add x3, x1, x2
0C: and x4, x1, x2
10: sub x5, x4, x3
14: mul x6, x3, x4 // неподдерживаемая инструкция
18: jal x15, 0x00034 // прыжок на адрес 0x4C
1C: jalr x15, 0x0(x6)
20: slli x7, x5, 31
24: srai x8, x7, 1
28: srli x9, x8, 29
2C: sw x1, 0x0(x4)
30: lw x10, 0x0(x4)
34: lui x11, 0xFFF80
38: auipc x12, 0x00004
3C: bne x3, x4, 0x08 // перескок через
40: // нелегальную нулевую инструкцию
44: jal x13, 0x00004
48: jalr x14, 0x0(x13)
4C: jalr x15, 0x4(x15)
```
Теперь в соответствии с кодировкой инструкций переведем программу в машинные коды:
```text
00: 011101011100 00000 000 00001 0010011
04: 100010100111 00000 000 00010 0010011
08: 0000000 00001 00010 000 00011 0110011
0C: 0000000 00001 00010 111 00100 0110011
10: 0100000 00011 00100 000 00101 0110011
14: 0000001 00011 00100 000 00110 0110011
18: 00000011010000000000 01111 1101111
1C: 000000000000 00110 000 01111 1100111
20: 0000000 11111 00101 001 00111 0010011
24: 0100000 00001 00111 101 01000 0010011
28: 0000000 11101 01000 101 01001 0010011
2C: 0000000 00001 00100 010 00000 0100011
30: 000000000000 00100 010 01010 0000011
34: 11111111111110000000 01011 0110111
38: 00000000000000000100 01100 0010111
3C: 0000000 00011 00100 001 01000 1100011
40: 00000000 00000000 00000000 00000000
44: 00000000010000000000 01101 1101111
48: 000000000000 01101 000 01110 1100111
4C: 000000000100 01111 000 01111 1100111
```
Данная программа, представленная в шестнадцатиричном формате находится в файле [program.txt](program.txt).
## Порядок выполнения задания
1. Внимательно ознакомьтесь микроархитектурной реализацией. В случае возникновения вопросов, проконсультируйтесь с преподавателем.
2. Реализуйте модуль `riscv_core`. Для этого:
1. В `Design Sources` проекта с предыдущих лаб, создайте `SystemSystemVerilog`-файл `riscv_core.sv`.
2. Опишите в нем модуль процессор `riscv_core` с таким же именем и портами, как указано в [задании](#задание).
1. Процесс реализации модуля очень похож на процесс описания модуля cybercobra, однако теперь появляется:
1. декодер
2. дополнительные мультиплексоры и знакорасширители.
3. Создайте в проекте новый `SystemSystemVerilog`-файл `riscv_unit.sv` и опишите в нем модуль `riscv_unit`, объединяющий ядро процессора (`riscv_core`) с памятями инструкция и данных.
3. После описания модуля, его необходимо проверить с помощью тестового окружения.
1. Тестовое окружение находится [`здесь`](tb_riscv_unit.sv).
2. Программа, которой необходимо проинициализировать память инструкций находится [`здесь`](program.txt).
3. Для запуска симуляции воспользуйтесь [`этой инструкцией`](../../Vivado%20Basics/Run%20Simulation.md).
4. Перед запуском симуляции убедитесь, что выбран правильный модуль верхнего уровня.
5. **Во время симуляции убедитесь, что в логе есть сообщение о завершении теста!**
6. Вполне возможно, что после первого запуска вы столкнетесь с сообщениями о множестве ошибок. Вам необходимо [исследовать](../../Vivado%20Basics/Debug%20manual.md) эти ошибки на временной диаграмме и исправить их в вашем модуле.
4. Добавьте в проект модуль верхнего уровня ([nexys_riscv_unit.sv](board%20files/nexys_riscv_unit.sv)), соединяющий основной ваш процессор с периферией в ПЛИС. Описание работы модуля находится [здесь](board%20files).
5. Подключите к проекту файл ограничений ([nexys_a7_100t.xdc](board%20files/nexys_a7_100t.xdc)), если тот еще не был подключен, либо замените его содержимое данными из файла к этой лабораторной работе.
6. Проверьте работу процессора в ПЛИС.
---
Прочти меня, когда выполнишь.
Поздравляю, ты сделал(а) свой первый взрослый процессор! Теперь ты можешь говорить:
>Я способен(на) на всё! Я сам(а) полностью, с нуля, сделал(а) процессор с архитектурой RISC-V! Что? Не знаешь, что такое архитектура? Пф, щегол! Подрастешь – узнаешь