[科创文物翻新计划]基于Verilog，指令集扩展的KC-LS1u处理器SoC实现（长期填坑）

前言与愿景

KC-LS1u这一74处理器实现是本论坛七年之前的重磅级作品，一定程度上来说算是国内74逻辑门自制CPU的巅峰之作，但非常可惜的一点是，原作者并未计划实现该处理器的FPGA实现。作为切换到了基于HDL的设计并从中极大受益的爱好者，在此本人建议各位数字电路爱好者自学基础的硬件描述语言，这可以帮助各位脱离繁琐的基于逻辑门和触发器的设计风格，并极大的加速各位的设计和验证过程。

本工程主要面向74CPU爱好者，旨在作为一个简单完整，基于Verilog HDL并包含了绝大多数工程中常用HDL语法的CPU及SoC实现的教学性工程，起到抛砖引玉帮助更多的爱好者用上用好现代化的FPGA/数字集成电路设计验证流程的作用。本文也将着重于在接下来陆续更新该设计的解析，并将基于各模块相关代码穿插对应Verilog HDL的语法点讲解。

鉴于本工程的的SoC框架将具备良好的可扩展性和高度的灵活性，如果可能，该框架将作为一个相对完善，开箱即用的SoC框架，供各位74爱好者快速迁移设计到一个相对现代的微处理器框架中，体验数字前端的高效设计流程。

本处理器特性

本处理器实现实现了完整的74-LS1u基本指令集

本处理器实现扩展了C/D两个GPR

本处理器实现了简单的中断、现场保存、返回机制

本处理器具备固定64K页面的MMU及32位物理地址扩展

本处理器具备可配置的直接映射式L1指令缓存/全相连L1指令-数据一体缓存/无缓存模式

本处理器具备一个基于Wishbone简化的同步SRAM总线接口，可以稍加修改挂接XXXXXXXXXXXXX上的诸多软核实现

从龙少原处理器设计说起

龙少原处理器指令可以大致拆分为如下的部分：

对于发布了硬件的KC-LS1U处理器而言，其译码真值表如下：

本处理器（KC-LS1u+）扩展功能：

目标寄存器选择译码：

ALU选择为ALU功能选择/运算-逻辑模式切换/进位输入端，直通指令接口中[7:2]位。

 龙少处理器中存在的怪东西

1. 谜之244
   

    大多数244的存在可以解释得通（作为数据源选择器的组成部分），但是U20/U21这两个直通的244，不知道是拿来干嘛的

    2.“阻塞”寄存器堆

    将138的输出直接怼进273时钟输入端，导致不能连续写入同一个寄存器

    3.兼做跳转寄存器的内存地址寄存器

    LS1U没法高效存取内存有一大半的锅得这个设计背，跳转是你，存取还是你，还只写不读，我是A0/A1/A2，我TM很心累

本处理器的层次

处理器核KC_LS1u_plus

-------------WIP----------------------

本处理器设计中使用的部分Verilog语法案例

建议的多路器写法

//KC_LS1u_plus.v
reg [7:0]XREGr;//扩展寄存器组读取端口
always@(*)
begin
    case(xreg_addr)//使用case的可读性相对assign好得多
        3'h0:XREGr=RET0;
        3'h1:XREGr=RET1;
        3'h2:XREGr=RET1;
        3'h3:XREGr=RTA0;
        3'h4:XREGr=RTA1;
        3'h5:XREGr=RTA2;
    default :XREGr=8'hxx;//default状态下为X而非定值，更节约逻辑
    endcase            //（综合器放弃default情况，传入非法值可能输出任意输入而非专门产生给定值情况）
end

异步握手 WIP

WIP

WIP

defparam或#(.所改参数(传入参数)) 配合  #(parameter x=123456)灵活变更工程参数&使用generate for完成批量例化

//l1.v
/*****该模块为Cache内存的顶层模块，展示了使用defparam改变模块内部参数的语法******/
defparam l1_ram.datawidth=DATA_WIDTH;
defparam l1_ram.cache_depth=CACHE_DEPTH;
cachemem                l1_ram
(
    .raddr          (read_addr),
    .waddr          (write_addr),
    .di             (write_data),
    .we             (we),
    .bsel           (byte_sel),
    .dato           (cache_read),
    .clk            (clk)
);
//cachemem.v
module cachemem
#
(
    parameter datawidth=64,
    cache_depth=2048
)
(
    input cwait,
    input [addr_wid-1:0]raddr,
    input [addr_wid-1:0]waddr,
    input [datawidth-1:0]di,
    input we,
    input [cswidth-1:0]bsel,
    output [datawidth-1:0]dato,
    input rclk,
    input wclk
);

localparam cswidth=datawidth/8;  //localparam是不可从外部改变的局部参数
localparam addr_wid =$clog2(cache_depth);
localparam addr_lsb=$clog2(cswidth);
genvar i;
generate //generate批量例化的时候只能用#(.所改参数(传入参数))的语法
    for(i=0;i<cswidth;i=i+1) 
    begin : cacheblk
        cachemem8 #(.memdepth(cache_depth)) cacheunit //注意该行，更建议使用该语法
        (
            .cwait(cwait),
            .rclk(rclk),
            .wclk(wclk),
            .raddr(raddr),//[addr_wid+addr_lsb-1:addr_lsb]
            .waddr(waddr),//[addr_wid+addr_lsb-1:addr_lsb]
            .di(di[7+8*i:0+8*i]),
            .dato(dato[7+8*i:0+8*i]),
            .we(we&bsel[i])
        );
    end
endgenerate
endmodule

module cachemem8 //一块8b位宽同步SRAM
#(
    parameter memdepth = 1024,
    memaddr=$clog2(memdepth)
)
(
    input cwait,
    input rclk,
    input wclk,
    input [memaddr-1:0]raddr,
    input [memaddr-1:0]waddr,
    input [7:0]di,
    output reg[7:0]dato,
    input we
 );
reg [7:0]memcell[memdepth-1:0];
//begin //: GENERIC_SSRAM
always @(posedge rclk)
begin
    if(cwait)dato<=dato;
    else dato<=memcell[raddr];
    
end
always @(posedge wclk)
    if(we)memcell[waddr]<=di;
endmodule

术语表

截至2021-02-17的项目进展

KC-LS1u/KC-LS1u+的处理器RTL实现完成，并部分指令完成验证

L1 Cache模块设计完成，并通过简单的测试

完成了MMU，在处理器中扩展简单的中断/异常/线程处理机制

最小化的SoC框架设计完成（FSB8片外总线/中断和时钟控制器/Systick中断计时器/Syscall系统调用控制器/2KB Scratchpad RAM）

最小化的SoC非常轻量，可以塞入GW1N-1芯片中

完成了部分外设（SPI/UART/GPIO/Timer）

完成了SoC部分外设的简单验证

未来计划

完成对处理器的完整验证，有条件则使用UVM验证框架

解耦CPU/总线时钟，尝试实现核心倍频/睿频机制

基于现有的CPU访存状态机扩展DMA功能

基于安路AL3S10NG88芯片实现对原版设计部分兼容的完整SoC设计，并绘制开发板

对称多处理机（俺寻思没有D-Cache约等于几乎没有多核一致性问题，那么SMP应该相对好做）

基于本项目仍在进行并且将长期更新的考量，核心和工程选择暂时仅在Github发布，在设计/验证结束前暂不上传至科创论坛。

项目地址：XXXXXXXXXXXXXXXXXX/RPG-7/SoC-KC-LS1u