这些年RISCV红火， 打算研究一下RV， 我一个同学兼同事写了著名的tinyriscv的项目， 而我对这一块刚刚入门，在学习RV之前， 我打算自己实现一个自己设计的RISC处理器， 看看能够领悟到什么。

先定义一下指令集和寄存器， 其实处理器和DDS发生器的架构有些类似， 只不过内存里面的数据从正弦查找表变成指令， 同时输出的数据会变成ALU的变量，为了方便处理，通常RISC的指令都是32bit的， 即四个字节 如0xff000000

我们的指令定义成下面的格式

C++
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// instru format : 32bit
// 0x-xx----xx---xx---xxxx
//    |      |    |     |
//   op    r1     r2   data

op就是操作码， 如加减乘除 ， r1是第一个寄存器的索引， r2是第二个寄存器的索引， 剩下的16位是立即数。

而寄存器的索引如下：

C++
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// reg index
// zo : 0	always 0
// ra : 1	alu parameter 1
// rb : 2	alu parameter 2
// rc : 3	alu parameter 3
// rd : 4	alu output 1
// re : 5	alu output 2
// rf : 6	temp 1
// rg : 7	temp 2
// rh ：8    temp 3
// ri : 9    temp 4
// rj : 10   temp 5
// rk : 11   temp 6
// rl : 12   temp 7
// rm : 13   temp 8
// rn : 14   temp 9
// ro : 15   temp 10
// mo : 16   mode and status
// the op is as blow

如果看其他的指令集， 如ARM和MIPS， 通常指令是有三个寄存器索引的， 这里我偷懒，把输出的寄存器永远定义成了rd，即第四个寄存器， 如执行add rb, ra 命令， 那么， 其实rb + ra的结果是在rd寄存器里面的。

接着说一下指令，直接列出

C++
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parameter NOP = 8'hff;     // nop
parameter HALT = 8'h00;    // halt
parameter LDH = 8'h01;     // ldh rn, xxxx
parameter LDL = 8'h02;     // ldl rn, xxxx
parameter MOV = 8'h05;     // mov rn, rm


parameter CLR = 8'h13;     // clr rn
parameter INC = 8'h14;    // inc rn
parameter DEC = 8'h15;    // dec rn
parameter ADD = 8'h16;     // add rn, rm
parameter SUB = 8'h17;    // dec rn, rm
parameter MUL = 8'h18;    // mul rn, rm
parameter DIV = 8'h19;    // div rn, rm
parameter LSF = 8'h1a;    // lsf rn, rm
parameter RSF = 8'h1b;    // rsf rn, rm

parameter AND = 8'h20;    // and rn, rm
parameter OR  = 8'h21;    // or rn, rm
parameter XOR = 8'h22;    // xor rn, rm
parameter NOT = 8'h23;   // not rn

parameter STACK = 8'h40;   // stack rn
parameter POP  = 8'h62;   // pop rm

parameter PUSH  = 8'h51;  // push rn
parameter STR = 8'h53;     // str rn, [rm]
parameter STD = 8'h54;     // std rn, [0000]

parameter IFEQ = 8'h33;   // ifeq rn, rm
parameter IFNQ = 8'h34;   // ifnq rn, rm
parameter IFLG = 8'h35;   // iflg rn, rm
parameter IFSM = 8'h36;   // ifsm rn, rm
parameter JPR  = 8'h37;   // jpr rn
parameter JPD  = 8'h38;   // jpd xxxx


parameter LDR = 8'h63;     // ldr rn, [rm]

我们的指令主要分成几类， 一类是寄存器存取指令， 如LDH 、LDL、MOV这些， 一类是算数指令， 如ADD、DEC、MUL、DIV这些， 一类是跳转指令， 即ifeq、 ifnq， jpr（跳到寄存器的地址）， jpd等等。还有以内是内存操作指令， 如LDR、STR、STD， 这些指令都非常消耗时间。

从上面的指令和寄存器来看， 我们的指令集定义得非常的简单易懂， 甚至可以用手直接写代码

比如想把mul rb, ra 这条指令翻译成机器码， 那我们只要查上面的定义：

1. mul是0x18

2. rb是2

3. ra是1

4. 立即数全是空的， 也就是0000

那么吧上面的数字拼起来， 这个指令就是0x18210000， 非常简单吧

有了指令了，接着还要定义处理器的运行状态， 通常CPU不外乎干几件事情：取指令、运行指令、取内存数据、写内存数据、等待、 错误， 那么对应的就是：

C++
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parameter INIT = 0;
parameter FETCH = 1;
parameter EXEC = 2;
parameter LOAD = 3;
parameter STORE = 4;
parameter IDLE = 5;
parameter ERROR = 6;

这里额外加了一个初始化状态。

让CPU干活， 可以利用Verilog的case语句， 如下面这样

C++
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            case (op)
		HALT : begin
                    state <= ERROR;
                end
                NOP : begin
                    exec_done <= 1'b1;
                end
                LDH : begin 
                    rn[r1][31:16] <= da;
                    exec_done <= 1'b1;
                end
                LDL : begin
                    rn[r1][15:0] <= da;
                    exec_done <= 1'b1;
                end
                CLR : begin
                    rn[r1] <= 0;
	            exec_done <= 1'b1;
	            
          。。。。。。。。

其中加减乘除，虽然有不少FPGA开发的书建议手写乘法器和除法器，但实际上系统已经有很好的乘法器给我们用来， 直接写 *和/ 综合是可以用altera或者Xilinx系统的乘法器， 比自己写快很多

C++
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                ADD : begin 
                        rn[4] <= rn[r1] + rn[r2];
                        if( clk_cont > 2 )
                            exec_done <= 1'b1;
                        else
                            exec_done <= 1'b0;
                        clk_cont <= clk_cont + 1;
                end
                SUB : begin 
                        rn[4] <= rn[r1] - rn[r2];
                        if( clk_cont > 2 )
                            exec_done <= 1'b1;
                        else
                            exec_done <= 1'b0;
                        clk_cont <= clk_cont + 1;
                end
                MUL : begin
                        rn[4] <= rn[r1] * rn[r2];
                        if( clk_cont > 10 )
                            exec_done <= 1'b1;
                        else
                            exec_done <= 1'b0;
                        clk_cont <= clk_cont + 1;
                end

CPU有了，还得有内存让它才能加载数据跑起来， 这里定义了一个ram。

C++
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 RAM ram(
	.address(ram_data_addr[9:0]),
	.clock(clk_low),
	.data(ram_data_in),
	.wren(ram_wr),
	.q(ram_data_out));

注意我这里设计的CPU是冯诺依曼架构的， 也就是说内存既装指令也装数据， 这个其实是个大坑， 调试取数据存数据的指令时， 会有一些时序的影响。这也让代码写得很垃圾。

给这个内存加入一个mif文件，也就是初始的程序， 内容如下：

C++
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DEPTH = 256;
WIDTH = 32;
ADDRESS _RADIX = HEX;
DATA_RADIX = HEX;
-- Specify initial data values for memory, format is address : data
CONTENT BEGIN
[00..FF]    :   00000000;
-- Initialize from course website data
00  :    ff000000;     --nop
04  :    ff000000;     --nop
08  :    02100005;    --ldl ra, 0005  //ra = 0005
0C  :    02200001;   --ldl rb,  0001   
10  :    01201000;   --ldh, rb, 1000  //rd = 1000 0001
14  :    16210000;   --add rb, ra      //rd = 1000 0006
18  :    17210000;   --sub rb, ra      // rd = 0fff fffc
1C  :    18210000;   --mul rb, ra     // rd = 5000 0005
20  :    19210000;   -- div rb, ra   // rd = 0333 3333
24  :    13100000;    --clr ra
28  :    02100000;    --ldl ra 0000
2C  :    544000f0;    --sta rd ,00f0
30  :    13400000;    --clr  rd
34  :    13400000;    -- clr  rd
38  :    634000f0;    -- ldr rd ，00f0
3C  :    38000000;
END;

这段程序对CPU的加减乘除进行了测试， 结果存入00f0地址，再取出来到rd，在跳到0000首地址

为了观察结果， 我用LED数码管和LCD把寄存器打出来， 还有通过流水灯显示PC的值

C++
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LCD_Display lcd_driver(KEY[0], CLOCK_50, ins_out, rd_out, LCD_RS, LCD_EN, LCD_RW, LCD_DATA)

SEG7_LUT_8 		uled	(	.oSEG0(HEX0),
							.oSEG1(HEX1),
							.oSEG2(HEX2),
							.oSEG3(HEX3),
							.oSEG4(HEX4),
							.oSEG5(HEX5),
							.oSEG6(HEX6),
							.oSEG7(HEX7),
							.iDIG(rd_out) );							

基本上就是这些， 但实际中还有不少恶心的调试，特别对我这种不喜欢仿真的人来说。

最终的代码如下：

mtrisc.v 9.98KB V 16次下载

DE2_Top.zip 8.45MB ZIP 7次下载

综合的结果如下：

占用的资源并不多

运行的视频结果如下：

实际上可以运行得更快，频率可上100M，但为了看到运行， LCD数字和数码管的变化， 这里把时钟设置成了1M