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通常我們將RISC CPU的指令的執行過程分為5個步驟，分別是取指令(IF)、解碼(ID)、執行(EX)、記憶體讀寫(MEM)、暫存器寫(WB)。我們要實現CPU，可以將5個步驟做成5個子模組分別設計，這樣可以大大降低我們的開發複雜度。

取指令(IF)

CPU在取指令階段（IF階段）時，先向一級指令快取要指令，要到指令後我們將程式計數器（PC）自增1（1表示移動一條指令的寬度，如果資料單位是32位，那麼就自增1，如果資料單位是8位1位元組，那麼就自增4）。這樣我們在下次取指令的時候就能取到下一條指令了。同時如果你實現了分支預測，那麼在這裡則需要做另外的處理。

那麼我們的取指令模組fetch_unit.v的埠如下：

埠種類	埠名	埠意義
input	clk	時鐘訊號
input	rst_n	復位訊號
input	stall	阻塞訊號
input	rw	讀寫狀態
input	write	跳轉到的地址
output	pc	程式計數器

當不阻塞時，寫狀態則將pc置為write，否則自增。很簡單的邏輯。

    always @(posedge clk, negedge rst_n)
        if (!rst_n)
            pc <= 0; // 復位
        else
            if (!stall) // 如果未被阻塞（和流水線有關）
                if (rw == `MEM_WRITE) // 寫狀態，二選一的資料選擇器
                    pc <= write; // 預置端
                else // 預設狀態
                    pc <= pc + 1; // 一個加法單元，其中一個運算元固定為1

解碼(ID)

注意到我們有這些指令對：add和addi，addu和addui，or和ori等，這些指令對的功能是一樣的，只是取運算元的方式不一樣，如果我們能用某種方式統一這些指令對，那麼我們在實現這些指令的執行將會變得更簡單，因為對於同一類的指令我們能做同一個操作。解碼器就是做這個事情的。我們要實現的解碼器將會把指令的資訊分成如下的幾條：

資訊代號	資訊描述
rs	左運算元暫存器代號
	nop、lui、j、jal、mflo、mfhi不需要
rs_enable	是否有左運算元
	nop、lui、j、jal、mflo、mfhi指令該項為false
rt	右運算元暫存器代號
	對於所有有立即數（imm和shamt）和只需要讀取一個暫存器的指令都不需要
rt_enable	是否有右運算元/右運算元是否從暫存器中提取
	對於所有有立即數（imm和shamt）和只需要讀取一個暫存器的指令該項為false
rd	結果存放的暫存器代號
	對於所有有立即數（imm）的指令，和指令中的rt部分相等
imm	32位立即數（如果指令有立即數imm，需要擴充套件至32位
	算術運算（無論是有符號還是無符號）均為有符號擴充套件，邏輯與地址運算均為無符號擴充套件
alu_op	ALU的微指令碼
	需要和ALU一致
addr	跳轉指令要跳轉到的地址
	對於j類指令，addr為立即數；對於b類指令，由傳入的pc和立即數運算得到
ex_src	執行階段使用ALU、浮點運算單元、還是整數乘除單元
	\makecell{mul、mulu、div、divu採用整數乘除單元；浮點運算採用FPU；\\算術邏輯地址運算使用ALU；否則交由外部裝置執行
b_ctrl	控制右運算元使用立即數代替還是從暫存器中取數
	有立即數的指令均為真，否則為假
mem_width	讀寫記憶體的時候是位元組模式、半字模式還是字模式
	lb、lbu、sb、sbu為位元組模式；lh、lhu、sh、shu為半字模式；lw、sw為字模式
mem_rw	寫記憶體還是讀記憶體
	l類指令為讀記憶體（低電平）；s類指令為寫記憶體（高電平）
mem_enable	指令是否要操作記憶體
	比如lb, sb之類的指令需要操作記憶體
sign_extend	記憶體操作時是否進行符號擴充套件
	\makecell{lb、lh、lbu、sb、sh之類的指令不足一個字，而暫存器為1個字長\\u類指令需要零擴充套件，非u類指令為符號擴充套件
wb_src	WB階段寫入暫存器的資料從ALU拿還是從記憶體拿
	運算類指令從ALU拿，l類指令從記憶體拿
wb_reg	WB階段是否需要將資料寫回到暫存器
	跳轉、儲存、浮點運算、整數乘除都不需要將資料寫回
jump	跳轉到的地址在暫存器中儲存還是從指令中的地址碼拿
	jr和jalr需要，j和jal不需要
branch	是否是跳轉指令
	j類指令和b類指令為真

CPU在解碼階段（ID階段）時還需要根據解碼器得到的運算元暫存器的編號，從相應的暫存器中取出ALU所需要的運算元，因此我們也將暫存器歸到解碼階段中。

執行(EX)

執行階段（EX階段）是我們呼叫ALU進行真正的計算過程。由於乘法和除法的速度比較慢，如果1個週期能完成加法的計算，那麼乘法和除法就需要超過1個週期的時間，也就是說乘法器和除法器在多週期CPU裡是多週期的。同時，所有的浮點運算也都是多週期的，比如浮點加是4個週期（另外在浮點運算單元中同樣存在流水線，把浮點加法分成4個階段計算）。

同時對於syscall指令，我們也要在執行階段完成操作。

因此執行階段CPU一共會有以下執行模組，分別是ALU、整數的乘除運算單元、浮點運算單元（內部仍存在流水線，而且加減法和乘除法可以並行執行）和其他的一些處理電路。

ALU

ALU在執行階段將會按照給定的ALU的微指令，對兩個運算元進行運算（無論是加減運算、位運算、比較運算以及跳轉指令需要的比較運算），並得到結果輸出（輸出包括運算結果、是否跳轉等資訊）。對於記憶體操作的指令，我們也需要ALU計算出我們要讀取的記憶體的真實地址（因為指令規範中給定的是某個暫存器的偏移，或者當前指令的偏移）。

當解碼階段得到的ALU使能訊號為真時，ALU計算結果。目前我們要支援的運算如下：

代號	描述	代號	描述	代號	描述	代號	描述
sll	邏輯左移	srl	邏輯右移	sra	算術右移	lu	左移16位
mfhi	載入乘除法的高32位			mflo	載入乘除法的低32位
add	加法	sub	減法	and	邏輯與	or	邏輯或
xor	異或	nor	同或	slt	算術比較	sltu	無符號算術比較
beq	相等跳轉	bne	不相等跳轉	bltz	小於零跳轉	bgez	大於等於零跳轉
blez	小於等於零跳轉			bgtz	大於零跳轉

ALU的埠如下：

埠種類	埠名	埠意義
input	stall	阻塞訊號
input	en	使能訊號
input	op	微指令
input	rs	運算元
input	rt	運算元
output	rd	運算結果
output	branch	是否跳轉
output	test_state	執行測試用指令結果

那麼實現一個ALU就是一個大的無條件always語句以及case語句了。
電路方面就是多路選擇器。

記憶體讀寫(MEM)

對於lb、lbu、lh、lhu、lw、sb、sbu、sh、shu、sw等記憶體操作的指令，這個階段將被啟用。這個階段將會與一級的資料快取互動。

暫存器寫(WB)

這個階段（WB階段）有結果的指令將會把資料存到對應的暫存器裡。

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