0 实验要求

        实验整体框架已给出，任务主要包括：

• 数据窗口的添加（可选，我添加了）
• 立即数生成错误修改（老师主动设置错误，修改见代码）
• 三端口寄存器模块的添加（这与此前的三端口略有不同，注意重点查看RegisterFile模块的实现）

1 源代码

`default_nettype none 
// --------------------------------------------------------------------
// 单周期 RISC-V CPU 模块
// --------------------------------------------------------------------
module CPU
 #(
     parameter DATAWIDTH = 32,
     parameter ADDRWIDTH = 32
 )
(
    input  wire iCPU_Reset,
    input  wire iCPU_Clk,
    // 指令存储器接口
    output wire [ADDRWIDTH-1:0] oIM_Addr,   //指令存储器地址
    input  wire [DATAWIDTH-1:0] iIM_Data,   //指令存储器数据
    // 数据存储器接口
    input  wire [DATAWIDTH-1:0] iReadData,  //数据存储器读数据
    output wire [DATAWIDTH-1:0] oWriteData, //数据存储器写数据
    output wire [ADDRWIDTH-1:0] oAB,        //数据存储器地址
    output wire oWR,                        //数据存储器写使能
    // 连接调试器的信号
    output wire [ADDRWIDTH-1:0] oCurrent_PC,
    output wire oFetch,
    input  wire iScanClk,
    input  wire iScanIn,
    output wire oScanOut,
    input  wire [1:0] iScanCtrl
);

   /** The input port is replaced with an internal signal **/
   wire   clk   = iCPU_Clk;
   wire   reset = iCPU_Reset;

   // Instruction parts
   logic [31:0] pc, nextPC;
   logic [31:0] instruction; // instruction code
   assign nextPC = pc + 4;   /*-TODO 目前仅支持PC+4，增加分支指令时需修改 -*/
   // PC
   DataReg #(32) pcreg(.iD(nextPC), .oQ(pc), .Clk(clk), .Reset(reset), .Load(1'b1));
   assign oIM_Addr = pc;         // 连接指令存储器的地址端口
   assign instruction = iIM_Data;// 连接指令存储器的数据端口

   // Instruction decode
   logic [6:0] opcode;
   logic [2:0] funct3;
   logic [6:0] funct7;
   logic [4:0] ra1,ra2,wa;
   assign funct7 = instruction[31:25];
   assign ra2    = instruction[24:20];
   assign ra1    = instruction[19:15]; 
   assign funct3 = instruction[14:12];
   assign wa     = instruction[11:7];
   assign opcode = instruction[6:0];

   // Control unit
   logic cRegWrite;
   logic [4:0] cImm_type;  //{J,U,B,S,I}
   Controller controller(
      .iOpcode(opcode),
      .iFunct3(funct3),
      /*-TODO 随着指令的增加，相应添加端口信号 -*/
      .oRegWrite(cRegWrite),
      .oImm_type(cImm_type)
   );

   // Immediate data generation 
   logic [31:0] immData;
   ImmGen  immGen(.iInstruction(instruction[31:7]), 
      .iImm_type(cImm_type), 
      .oImmediate(immData));

   // Register file
   logic [31:0] regWriteData, regReadData1, regReadData2;
   RegisterFile #(32) regFile(.Clk(clk), 
      .iWE(cRegWrite), .iWA(wa), .iWD(regWriteData), 
      .iRA1(ra1), .oRD1(regReadData1),
      .iRA2(ra2), .oRD2(regReadData2));
   assign regWriteData = aluOut; /*-目前仅支持将ALU运算结果写入寄存器堆，
                                    TODO：增加Load类指令时需修改 -*/

   // ALU
   logic [31:0] aluOut;
   assign aluOut = regReadData1 + immData; /*-目前仅支持加立即数运算，
                                    TODO：需用自己设计的ALU模块代替 -*/

   /*-TODO 连接数据存储器 -*/

  
//---------------------- 送给调试器的变量 ------------------------//

    //送给调试器的观察信号，需要与虚拟面板的信号框相对应
    struct packed{
        /*-TODO 在这里添加观察信号的类型 -*/
        logic RegWrite;               //对应虚拟元件WS1
        logic [4:0] ImmType;          //对应虚拟元件WS0
    }ws; 
    always_comb begin
        /*-【注意】添加观察信号类型后须关联相应变量！-*/
        ws.RegWrite = cRegWrite;      //对应虚拟元件WS1
        ws.ImmType = cImm_type;       //对应虚拟元件WS0
    end        

    //送给调试器的观察变量，需要与虚拟面板的数据框相对应
    struct packed{
        /*-TODO 在这里添加观察数据的类型 -*/    
        logic [11:0] imm12;    
        logic [31:0] aluOut;       //对应虚拟元件WD8
        logic [31:0] immData;      //对应虚拟元件WD7
        logic [31:0] regReadData1; //对应虚拟元件WD6
        logic [4:0]  ra2;          //对应虚拟元件WD5，5位
        logic [4:0]  ra1;          //对应虚拟元件WD4，5位
        logic [4:0]  wa;           //对应虚拟元件WD3，5位
        logic [31:0] instruction;  //对应虚拟元件WD2        
        logic [31:0] pc;           //对应虚拟元件WD1
        logic [31:0] nextPC;       //对应虚拟元件WD0
    }wd;
    always_comb begin
        /*-【注意】添加观察数据类型后须关联相应变量！-*/  
        wd.imm12        = instruction[31:20];      
        wd.aluOut       = aluOut;       //对应虚拟元件WD8
        wd.immData      = immData;      //对应虚拟元件WD7
        wd.regReadData1 = regReadData1; //对应虚拟元件WD6
        wd.ra2          = ra2;          //对应虚拟元件WD5，5位
        wd.ra1          = ra1;          //对应虚拟元件WD4，5位
        wd.wa           = wa;           //对应虚拟元件WD3，5位
        wd.instruction  = instruction;  //对应虚拟元件WD2
        wd.pc           = pc;           //对应虚拟元件WD1
        wd.nextPC       = nextPC;       //对应虚拟元件WD0 
    end
    
    // 调试器部分，请勿修改！
    WatchChain #(.DATAWIDTH($bits(ws)+$bits(wd))) WatchChain_inst(
        .DataIn({ws,wd}), 
        .ScanIn(iScanIn), 
        .ScanOut(oScanOut), 
        .ShiftDR(iScanCtrl[1]), 
        .CaptureDR(iScanCtrl[0]), 
        .TCK(iScanClk)
    );
    assign oCurrent_PC = pc;
    assign oFetch = 1'b1;

endmodule


// --------------------------------------------------------------------
// Controller模块
// --------------------------------------------------------------------
module Controller(
   input  logic [6:0] iOpcode,
   input  logic [2:0] iFunct3,
   /*- TODO：扩充指令时在这里增加端口 -*/
   output logic oRegWrite,   
   output logic [4:0] oImm_type   //对应五种类型：{J,U,B,S,I}
);

always_comb begin
   /*- TODO：扩充指令时需修改 ...... -*/
   if (iOpcode==7'b0010011 && iFunct3==3'b000) begin
      oImm_type = 5'b00001;
      oRegWrite = 1'b1;
   end
   else begin
      oImm_type = 5'b00000;
      oRegWrite = 1'b0;    
   end
end
endmodule


// --------------------------------------------------------------------
// 立即数生成模块
// --------------------------------------------------------------------
module ImmGen( //立即数生成
   input  logic [4:0]  iImm_type,   //{J,U,B,S,I}
   input  logic [31:7] iInstruction,
   output logic [31:0] oImmediate
);
/*- TODO：增加其他类型的立即数需修改。目前只有I型，所以并未区分Imm_type -*/
assign oImmediate = {{20{iInstruction[31]}}, iInstruction[31:20]};
/*- 符号扩展为32位立即数。【注意】上面的代码注入了一个错误，这里已修改 
原始错误：assign oImmediate = {{20{iInstruction[31]}}, iInstruction[30:20]}; -*/

endmodule


// --------------------------------------------------------------------
// 三端口寄存器堆模块
// --------------------------------------------------------------------
module RegisterFile
 #(
     parameter DATAWIDTH = 32,
     parameter ADDRWIDTH = 5
 )
(
	input  logic  Clk,
	input  logic  iWE,
	input  logic  [4:0] iWA, iRA1, iRA2,
    input  logic  [31:0] iWD,
    output logic  [31:0] oRD1, oRD2
);
/*- TODO：...  -*/
localparam MEMDEPTH = 1<<ADDRWIDTH;
logic [DATAWIDTH-1:0] mem[0:MEMDEPTH-1];

always_ff @(posedge Clk)
begin 
    if(iWE)
        if(iWA!={ADDRWIDTH{1'b0}})
            mem[iWA] <= iWD;
end

assign oRD1 = mem[iRA1];
assign oRD2 = mem[iRA2];
endmodule


// --------------------------------------------------------------------
// DataReg模块
// --------------------------------------------------------------------
module DataReg
#(parameter N = 4)
(   output reg [N-1:0] oQ,
    input wire [N-1:0] iD,
    input wire Clk,
    input wire Load,
    input wire Reset
);
always @(posedge Clk or posedge Reset)
begin
  if (Reset)
		oQ <= 0;	
  else if (Load)
		oQ <= iD;
end
endmodule

2 添加数据窗口

代码中我加了数据观察窗口

所以验证前把这个数据窗口加了，不添加会影响后续指令类型判断

 3 运行测试

         将编译后的rbf文件上传至远程FPGA，接着输入测试指令

         点击复位按钮，可看到当前第一条指令06400293（addi x5,x0,100）执行状态

         此时，从RD1从RA1端口00即x0寄存器（默认为0）读出值00000000，立即数为instruction[31:20] 0000_0110_0100即064h，扩展为32位对应00000064，相加结果为00000000+00000064=00000064

        然后，将运算结果00000064传到WD，并写入寄存器地址wa 00101即WA端口显示的x5寄存器

        控制器模块（见下图）根据opcode和funct3判断指令类型（JUBSI）是I型指令，显示00001

         接着，点击微单步，执行下一条指令FFF28313（addi  x6,x5,-1）,可以发现RD1是从RA1显示的x5寄存器读值00000064（上一条指令已写入），立即数为-1，补码显示FFFFFFFF，运算结果为00000063，并把结果写入WA显示的x6寄存器

具体各端口值得分析可以参照第一条指令分析过程，将指令写成32位进行分析

         再次微单步执行下一条指令00030393（addi x7,x6,0）,执行状态如下

具体各端口值得分析可以参照第一条指令分析过程，将指令写成32位进行分析

         整个运行记录如下：

最后，后面的实验你该尝试尽量自己分析解决了