Lab4-1 & Lab4-2

你可以使用 git 来记录实验过程，创建新的分支完成本节，可以参考 git 基础小节。

本实验需要完成大部分指令，在两节实验中分别完成数据通路和控制器的设计，从而得到自己设计实现的 SCPU。

模块实现

在本节实验中，你需要实现以下指令：

R-Type: add, sub, and, or, xor, slt, srl
I-Type: addi, andi, ori, xori, slti, srli, lw
S-Type: sw
B-Type: beq
J-Type: jal

其他指令将在 Lab4-3 指令拓展与 Lab4-4 中断处理两小节实现。如果不清楚以上指令的指令格式与含义，请查看 RISC-V 手册。

在设计本次实验之前，请检查你是否完成了之前实验要求的修改

RegFile 有 32 个寄存器值读口，并在本次实验中接到 SCPU 的输出口。
VGA 模块拓展了 32 个寄存器值的入口，并修改 VGA 内部使这些值可以显示在屏幕上。

这些修改将方便你在板上 debug 时查看寄存器值的变化。

在分别完成 DataPath 和 CtrlUnit 两部分后，将 Lab4-0 中的 IP Core 替换，得到自行实现的 SCPU。

立即数生成器

请保证模块名与端口名和以下代码完全相同（虽然混用下划线和驼峰命名很让人抓狂，但 slides 上边给的如此且大部分同学与之相同，就按照这种命名吧💦）

ImmGen.v

module ImmGen(
  input [1:0]   ImmSel,
  input [31:0]  inst_field,
  output[31:0]  Imm_out
);

请保证 ImmSel 的意义与下同（参考附件 Lab4_header.vh）

/* ImmSel signals */
// NOTE: You may add terms in Lab4-3 to implement more inst.
`define IMM_SEL_WIDTH 2

`define IMM_SEL_I   `IMM_SEL_WIDTH'd0
`define IMM_SEL_S   `IMM_SEL_WIDTH'd1
`define IMM_SEL_B   `IMM_SEL_WIDTH'd2
`define IMM_SEL_J   `IMM_SEL_WIDTH'd3
/*-----------------------------------*/

SCPU_ctrl

请保证模块名与端口名和以下代码完全相同

SCPU_ctrl.v

module SCPU_ctrl(
  input [4:0]       OPcode,
  input [2:0]       Fun3,
  input             Fun7,
  input             MIO_ready,
  output reg [1:0]  ImmSel,
  output reg        ALUSrc_B,
  output reg [1:0]  MemtoReg,
  output reg        Jump,
  output reg        Branch,
  output reg        RegWrite,
  output reg        MemRW,
  output reg [3:0]  ALU_Control,
  output reg        CPU_MIO
);

endmodule

请保证 MemtoReg 的意义与下同（参考附件 Lab4_header.vh）

/* Mem2Reg signals */
// NOTE: You may add terms in Lab4-3 to implement more inst.
`define MEM2REG_WIDTH 2

`define MEM2REG_ALU         `MEM2REG_WIDTH'd0
`define MEM2REG_MEM         `MEM2REG_WIDTH'd1
`define MEM2REG_PC_PLUS     `MEM2REG_WIDTH'd2
/*-----------------------------------*/

仿真测试

关于立即数生成器的仿真测试

你的代码将在助教本地进行验证，使用的仿真激励文件为 ImmGen_tb.v，你可以自行进行验证，以免有错误产生扣分。正确的参考波形可以查看标准波形文件。

为了方便自行检查，你可以在 test.s 编写更多的仿真代码，通过 Venus 平台获得十六进制文件并更名为 console.out，使用 ImmGen_tb_gen.py 获得要填写进仿真激励文件的代码。这一段 Python 代码非常简单，请自行查看文件命名与含义。当然，你也可以使用其他方式获得测试代码，这里仅作示例，以后不再提供类似文件。

SCPU_ctrl 模块也将采取类似的仿真测试，助教将使用 SCPU_ctrl_tb.v 对你的模块进行测试，可以使用该文件自行测试，以免有错误产生扣分。

SCPU

为了方便测试，我们需要搭建一个简单的仅包含 SCPU 以及 Mem(IMem & DMem) 的测试平台。

你可以直接使用以下代码，如果你的端口名与之不同请自行修改。

testbenchtestbench_tb

module testbench(
    input clk,
    input rst
);

    /* SCPU 中接出 */
    wire [31:0] Addr_out;
    wire [31:0] Data_out;       
    wire        CPU_MIO;
    wire        MemRW;
    wire [31:0] PC_out;
    /* RAM 接出 */
    wire [31:0] douta;
    /* ROM 接出 */
    wire [31:0] spo;

    SCPU u0(
        .clk(clk),
        .rst(rst),
        .Data_in(douta),
        .MIO_ready(CPU_MIO),
        .inst_in(spo),
        .Addr_out(Addr_out),
        .Data_out(Data_out),
        .CPU_MIO(CPU_MIO),
        .MemRW(MemRW),
        .PC_out(PC_out)
    );

    RAM_B u1(
        .clka(~clk),
        .wea(MemRW),
        .addra(Addr_out[11:2]),
        .dina(Data_out),
        .douta(douta)
    );

    ROM_B u2(
        .a(PC_out[11:2]),
        .spo(spo)
    );

endmodule

module testbench_tb();

    reg clk;
    reg rst;

    testbench m0(.clk(clk), .rst(rst));

    initial begin
        clk = 1'b0;
        rst = 1'b1;
        #5;
        rst = 1'b0;
    end

    always #50 clk = ~clk;

endmodule

以上代码并未验证，如有问题请联系助教。

请自行书写测试代码，生成 ROM 核，并进行仿真。

下板验证

验收时，你需要使用以下验收代码。（验收代码为上届助教 @NonoHh 所写）

验收代码

test.sIMem.coeDMem.coe

jal zero, start # 0
add zero, zero, zero # 4
add zero, zero, zero # 8
add zero, zero, zero # C
add zero, zero, zero # 10
add zero, zero, zero # 14
add zero, zero, zero # 18
add zero, zero, zero # 1C

start:
addi x1, zero, -1 # x1=FFFFFFFF
xori x3, x1, 1 # x3=FFFFFFFE
add x3, x3, x3 # x3=FFFFFFFC
add x3, x3, x3 # x3=FFFFFFF8
add x3, x3, x3 # x3=FFFFFFF0
add x3, x3, x3 # x3=FFFFFFE0
add x3, x3, x3 # x3=FFFFFFC0
xor x20, x3, x1 # x20=0000003F
add x3, x3, x3 # x3=FFFFFF80
add x3, x3, x3 # x3=FFFFFF00
add x3, x3, x3 # x3=FFFFFE00
add x3, x3, x3 # x3=FFFFFC00
add x3, x3, x3 # x3=FFFFF800
add x3, x3, x3 # x3=FFFFF000
add x3, x3, x3 # x3=FFFFE000
add x3, x3, x3 # x3=FFFFC000
add x3, x3, x3 # x3=FFFF8000
add x3, x3, x3 # x3=FFFF0000
add x3, x3, x3 # x3=FFFE0000
add x3, x3, x3 # x3=FFFC0000
add x3, x3, x3 # x3=FFF80000
add x3, x3, x3 # x3=FFF00000
add x3, x3, x3 # x3=FFE00000
add x3, x3, x3 # x3=FFC00000
add x3, x3, x3 # x3=FF800000
add x3, x3, x3 # x3=FF000000
add x3, x3, x3 # x3=FE000000
add x3, x3, x3 # x3=FC000000
add x6, x3, x3 # x6=F8000000
add x3, x6, x6 # x3=F0000000
add x4, x3, x3 # x4=E0000000
add x13, x4, x4 # x13=C0000000
add x8, x13, x13 # x8=80000000
ori x26, zero, 1 # x26=00000001
andi x26, x26, 0xff
srl x27, x8, x26

loop:
slt x2, x1, zero # x2=00000001 针对ALU32位有符号数减
slti x2, x1, 0 # x2=00000001 针对ALU32位有符号数减
add x14, x2, x2
add x14, x14, x14 # x14=4
sub x19, x14, x14 # x19=0
srli x19, x19, 1
addi x10, x19, -1
or x10, x10, zero
add x10, x10, x10 # x10=FFFFFFFE

loop1:
sw x6, 0x4(x3) # 计数器端口: F0000004, 送计数常数x6=F8000000
lw x5, 0x0(x3) # 读GPIO端口F0000000状态: {counter0_out,counter1_out,counter2_out,led_out[12:0], SW}
add x5, x5, x5 # 左移
add x5, x5, x5 # 左移2位将SW与LED对齐, 同时D1D0置00, 选择计数器通道0
sw x5, 0x0(x3) # x5输出到GPIO端口F0000000, 设置计数器通道counter_set=00端口
add x9, x9, x2 # x9=x9+1
sw x9, 0x0(x4) # x9送x4=E0000000七段码端口
lw x13, 0x14(zero) # 取存储器20单元预存数据至x13, 程序计数延时常数

loop2:
lw x5, 0x0(x3) # 读GPIO端口F0000000状态: {out0, out1, out2, D28-D20, LED7
add x5, x5, x5
add x5, x5, x5 # 左移2位将SW与LED对齐, 同时D1D0置00, 选择计数器通道0
sw x5, 0x0(x3) # x5输出到GPIO端口F0000000, 计数器通道counter_set=00端口不变
lw x5, 0x0(x3) # 再读GPIO端口F0000000状态
and x11, x5, x8 # 取最高位=out0, 屏蔽其余位送x11
add x13, x13, x2 # 程序计数延时
beq x13, zero, C_init # 程序计数x13=0, 转计数器初始化, 修改7段码显示: C_init

l_next: # 判断7段码显示模式：SW[4: 3]控制
lw x5, 0x0(x3) # 再读GPIO端口F0000000开关SW状态
add x18, x14, x14 # x14=4, x18=00000008
add x22, x18, x18 # x22=00000010
add x18, x18, x22 # x18=00000018(00011000)
and x11, x5, x18 # 取SW[4: 3]
beq x11, zero, L20 # SW[4: 3]=00, 7段显示"点"循环移位：L20, SW0=0
beq x11, x18, L21 # SW[4: 3]=11, 显示七段图形, L21, SW0=0
add x18, x14, x14 # x18=8
beq x11, x18, L22 # SW[4: 3]=01, 七段显示预置数字, L22, SW0=1
sw x9, 0x0(x4) # SW[4: 3]=10, 显示x9, SW0=1
jal zero, loop2

L20:
beq x10, x1, L4 # x10=ffffffff, 转移L4
jal zero, L3

L4:
addi x10, zero, -1 # x10=ffffffff
add x10, x10, x10 # x10=fffffffe

L3:
sw x10, 0x0(x4) # SW[4: 3]=00, 7段显示点移位后显示
jal zero, loop2

L21:
lw x9, 0x60(x17) # SW[4: 3]=11, 从内存取预存七段图形
sw x9, 0x0(x4) # SW[4: 3]=11, 显示七段图形
jal zero, loop2

L22:
lw x9, 0x20(x17) # SW[4: 3]=01, 从内存取预存数字
sw x9, 0x0(x4) # SW[4: 3]=01, 七段显示预置数字
jal zero, loop2

C_init:
lw x13, 0x14(zero) # 取程序计数延时初始化常数
add x10, x10, x10 # x10=fffffffc, 7段图形点左移121 or x10, x10, x2 # x10末位置1, 对应右上角不显示
add x17, x17, x14 # x17=00000004, LED图形访存地址+4
and x17, x17, x20 # x17=000000XX, 屏蔽地址高位, 只取6位
add x9, x9, x2 # x9+1
beq x9, x1, L6 # 若x9=ffffffff, 重置x9=5
jal zero, L7

L6:
add x9, zero, x14 # x9=4
add x9, x9, x2 # 重置x9=5

L7:
lw x5, 0x0(x3) # 读GPIO端口F0000000状态
add x11, x5, x5
add x11, x11, x11 # 左移2位将SW与LED对齐, 同时D1D0置00, 选择计数器通道0
sw x11, 0x0(x3) # x5输出到GPIO端口F0000000, 计数器通道counter_set=00端口不变
sw x6, 0x4(x3) # 计数器端口: F0000004, 送计数常数x6=F8000000
jal zero, l_next

memory_initialization_radix=16;
memory_initialization_vector=
0200006F, 00000033, 00000033, 00000033, 00000033,
00000033, 00000033, 00000033, FFF00093, 0010C193,
003181B3, 003181B3, 003181B3, 003181B3, 003181B3,
0011CA33, 003181B3, 003181B3, 003181B3, 003181B3,
003181B3, 003181B3, 003181B3, 003181B3, 003181B3,
003181B3, 003181B3, 003181B3, 003181B3, 003181B3,
003181B3, 003181B3, 003181B3, 003181B3, 003181B3,
003181B3, 00318333, 006301B3, 00318233, 004206B3,
00D68433, 00106D13, 0FFD7D13, 01A45DB3, 0000A133,
0000A113, 00210733, 00E70733, 40E709B3, 0019D993,
FFF98513, 00056533, 00A50533, 0061A223, 0001A283,
005282B3, 005282B3, 0051A023, 002484B3, 00922023,
01402683, 0001A283, 005282B3, 005282B3, 0051A023,
0001A283, 0082F5B3, 002686B3, 06068063, 0001A283,
00E70933, 01290B33, 01690933, 0122F5B3, 00058C63,
03258663, 00E70933, 03258863, 00922023, FB9FF06F,
00150463, 00C0006F, FFF00513, 00A50533, 00A22023,
FA1FF06F, 0608A483, 00922023, F95FF06F, 0208A483,
00922023, F89FF06F, 01402683, 00A50533, 00E888B3,
0148F8B3, 002484B3, 00148463, 00C0006F, 00E004B3,
002484B3, 0001A283, 005285B3, 00B585B3, 00B1A023,
0061A223, F6DFF06F;

memory_initialization_radix=16;
memory_initialization_vector=
f0000000, 000002AB, 80000000, 0000003F, 00000001, FFF70000, 0000FFFF, 80000000, 00000000, 11111111, 
22222222, 33333333, 44444444, 55555555, 66666666, 77777777, 88888888, 99999999, aaaaaaaa, bbbbbbbb, 
cccccccc, dddddddd, eeeeeeee, ffffffff, 557EF7E0, D7BDFBD9, D7DBFDB9, DFCFFCFB, DFCFBFFF, F7F3DFFF,
FFFFDF3D, FFFF9DB9, FFFFBCFB, DFCFFCFB, DFCFBFFF, D7DB9FFF, D7DBFDB9, D7BDFBD9, FFFF07E0, 007E0FFF,
03bdf020, 03def820, 08002300;

你需要修改 DMem.coe 中的 00000000, 11111111, 22222222..., ffffffff 部分，将它修改为你的学号 ( 如 3210101145) 与日期 ( 如 230313)。修改后，这一段应为：

...
33333333, 22222222, 11111111, 00000000, 11111111, 00000000, 11111111, 
11111111, 44444444, 55555555, 22222222, 33333333, 00000000, 33333333,
11111111, 33333333
...

使用验收代码的预期表现：

Graphics 模式下
- SW[4:3] = 00
  - 重启后，七段数码管依次亮起。
  - 只在重启后亮一次，之后不变。
- SW[4:3] = 11
  - 变化的矩形
Number 模式下
- SW[4:3] = 01
  - 显示你的学号与日期
- SW[4:3] = 10
  - 数字自增

如果在某模式下你的表现与预期不符，请查看该模式对应代码，缩小检查范围。

如果你的下板现象并不符合预期：

四种现象完全没有，全部乱码，数码管显示 55AA。CPU 实现有严重错误，使用 testbench 与自己的测试代码进行仿真测试，调整到指令测试无误再下板。
LED 灯和开关不同步。考虑 lw, sw, shift 等指令是否正确。
开机现象有，但是卡住不动。考虑 slt 指令是否正确。
开机现象和自增有，学号和矩形动画没有。考虑 RAM 内容是否正确载入。
仅矩形动画不正确。考虑 jalr 指令是否正确。