APS/Labs/06. Datapath/README.md

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)
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:

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, 0x00050   // прыжок на адрес 0x68
1C:  jalr  x15, 0x0(x6)
20:  slli  x7,  x5, 31
24:  srai  x8,  x7, 1
28:  srli  x9,  x8, 29
2C:  lui   x10, 0xfadec
30:  add   x10, x10,-1346
34:  sw    x10, 0x0(x4)
38:  sh    x10, 0x6(x4)
3C:  sb    x10, 0xb(x4)
40:  lw    x11, 0x0(x4)
44:  lh    x12, 0x0(x4)
48:  lb    x13, 0x0(x4)
4С:  lhu   x14, 0x0(x4)
50:  lbu   x15, 0x0(x4)
54:  auipc x16, 0x00004
58:  bne   x3,  x4, 0x08  // перескок через
5С:                       // нелегальную нулевую инструкцию
60:  jal   x17, 0x00004
64:  jalr  x14, 0x0(x17)
68:  jalr  x18, 0x4(x15)

Теперь в соответствии с кодировкой инструкций переведем программу в машинные коды:

00:  011101011100  00000 000 00001 0010011
04:  100010100111  00000 000 00010 0010011
08:  0000000 00010 00001 000 00011 0110011
0C:  0000000 00010 00001 111 00100 0110011
10:  0100000 00011 00100 000 00101 0110011
14:  0000001 00100 00011 000 00110 0110011
18:  00000101000000000000    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:  11011110101011011100    01010 0110111
30:  111010101111  01010 000 01010 0010011
34:  0000000 01010 00100 010 00000 0100011
38:  0000000 01010 00100 001 00110 0100011
3C:  0000000 01010 00100 000 01011 0100011
40:  000000000000  00100 010 01011 0000011
44:  000000000000  00100 001 01100 0000011
48:  000000000000  00100 000 01101 0000011
4C:  000000000000  00100 101 01110 0000011
50:  000000000000  00100 100 11101 0000011
54:  00000000000000000100    10000 0010111
58:  0000000 00011 00100 001 01000 1100011
5C:  00000000  00000000 00000000  00000000
60:  00000000010000000000    10001 1101111
64:  000000000000  10001 000 01110 1100111
68:  000000000100  01111 000 10010 1100111

Данная программа, представленная в шестнадцатиричном формате находится в файле 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.
      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.
   2. Программа, которой необходимо проинициализировать память инструкций находится здесь.
   3. Для запуска симуляции воспользуйтесь этой инструкцией.
   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 эти ошибки на временной диаграмме и исправить их в вашем модуле.
4. Добавьте в проект модуль верхнего уровня (nexys_riscv_unit.sv), соединяющий основной ваш процессор с периферией в ПЛИС. Описание работы модуля находится здесь.
5. Подключите к проекту файл ограничений (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