用verilog写riscv五级流水线架构

时间: 2024-05-10 16:15:52 浏览: 8
以下是一个简单的 RISC-V 五级流水线处理器的 Verilog 实现,包括 Fetch、Decode、Execute、Memory 和 Writeback 阶段。 ```verilog module riscv_pipeline( input clk, reset, input [31:0] instruction_in, input [31:0] data_in, output [31:0] data_out ); // 定义寄存器文件,共 32 个 32 位寄存器 reg [31:0] reg_file [0:31]; initial for (int i = 0; i < 32; i = i + 1) reg_file[i] = 0; // 定义 PC 寄存器,存放下一条指令的地址 reg [31:0] pc; initial pc = 0; // 定义流水线寄存器 reg [31:0] pc_reg; reg [31:0] instruction_reg; reg [31:0] rs1_reg; reg [31:0] rs2_reg; reg [31:0] rd_reg; reg [31:0] alu_result_reg; reg [1:0] alu_ctrl_reg; reg [1:0] mem_ctrl_reg; reg [31:0] data_reg; reg [31:0] branch_target_reg; // 定义控制信号 reg [6:0] opcode; reg [2:0] funct3; reg [6:0] funct7; reg [3:0] rs1; reg [3:0] rs2; reg [3:0] rd; reg [31:0] imm; reg alu_src; reg branch; reg mem_read; reg mem_write; reg [1:0] mem_width; reg reg_write; // Fetch 阶段 assign instruction_reg = instruction_in; assign pc_reg = pc; always @(posedge clk) begin if (reset) pc <= 0; else if (branch) pc <= branch_target_reg; else pc <= pc + 4; end // Decode 阶段 assign opcode = instruction_reg[6:0]; assign funct3 = instruction_reg[14:12]; assign funct7 = instruction_reg[31:25]; assign rs1 = instruction_reg[19:15]; assign rs2 = instruction_reg[24:20]; assign rd = instruction_reg[11:7]; always @(posedge clk) begin rs1_reg <= reg_file[rs1]; rs2_reg <= reg_file[rs2]; rd_reg <= rd; imm <= { {20{instruction_reg[31]}}, instruction_reg[31:20] }; case (opcode) 7'd3: // I-type alu_src <= 1'b1; mem_width <= 2'b00; funct3 { 3'd0: alu_ctrl_reg <= 2'b00; // ADD 3'd1: alu_ctrl_reg <= 2'b01; // SLL 3'd2: alu_ctrl_reg <= 2'b10; // SLT 3'd3: alu_ctrl_reg <= 2'b11; // SLTU 3'd4: alu_ctrl_reg <= 2'b01; // XOR 3'd5: alu_ctrl_reg <= 2'b00; // SRL 3'd6: alu_ctrl_reg <= 2'b10; // OR 3'd7: alu_ctrl_reg <= 2'b11; // AND } 7'd19: // U-type alu_src <= 1'b0; mem_width <= 2'b00; alu_ctrl_reg <= 2'b00; // ADD 7'd103: // J-type alu_src <= 1'b0; mem_width <= 2'b00; alu_ctrl_reg <= 2'b00; // ADD 7'd35: // S-type alu_src <= 1'b1; mem_width <= 2'b01; mem_write <= 1'b1; funct3 { 3'd0: alu_ctrl_reg <= 2'b00; // ADD 3'd1: alu_ctrl_reg <= 2'b01; // SLL 3'd2: alu_ctrl_reg <= 2'b10; // SLT 3'd3: alu_ctrl_reg <= 2'b11; // SLTU 3'd4: alu_ctrl_reg <= 2'b01; // XOR 3'd5: alu_ctrl_reg <= 2'b00; // SRL 3'd6: alu_ctrl_reg <= 2'b10; // OR 3'd7: alu_ctrl_reg <= 2'b11; // AND } 7'd99: // B-type alu_src <= 1'b1; mem_width <= 2'b00; branch <= 1'b1; case (funct3) 3'd0: alu_ctrl_reg <= 2'b01; // BEQ 3'd1: alu_ctrl_reg <= 2'b10; // BNE 3'd4: alu_ctrl_reg <= 2'b11; // BLT 3'd5: alu_ctrl_reg <= 2'b11; // BGE 3'd6: alu_ctrl_reg <= 2'b10; // BLTU 3'd7: alu_ctrl_reg <= 2'b10; // BGEU endcase endcase end // Execute 阶段 always @(posedge clk) begin case (alu_ctrl_reg) 2'b00: alu_result_reg <= rs1_reg + rs2_reg; // ADD 2'b01: alu_result_reg <= rs1_reg << rs2_reg; // SLL 2'b10: alu_result_reg <= (rs1_reg < rs2_reg) ? 1 : 0; // SLT 2'b11: alu_result_reg <= (rs1_reg < rs2_reg) ? 1 : 0; // SLTU endcase end // Memory 阶段 always @(posedge clk) begin if (mem_read) data_reg <= data_in; else if (mem_write) data_reg <= rs2_reg; end // Writeback 阶段 always @(posedge clk) begin if (reg_write) reg_file[rd_reg] <= alu_result_reg; end // 计算分支目标地址 assign branch_target_reg = pc + imm; // 输出结果 assign data_out = data_reg; endmodule ``` 需要注意的是,这只是一个简单的实现,没有考虑多周期指令、数据冒险、控制冒险等问题。在实际应用中,需要进行更加细致的设计和优化。

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