前言

体系结构的第一个实验，实际上是中科大的实验，GitHub直接搜ustc_ca可以搜出很多，我也是借鉴了几位大佬的。这个课是计科第一年开课的，所以以后的实验内容可能会有所调整。

这次实验的内容也很简单，用ripes跑一遍即可，这个软件还是很智能的，每一步骤干什么，用的哪个寄存器，以及数值是多少都能显示出来。

闲麻烦不想在GitHub上下载的，直接放到网盘了。

具体用法是先打开ripes.exe，左上角editor->setiing，然后

选择另一个文件夹里的编译器，然后就可以运行代码了。

一般这个实验都在期中前做的，所以一定要认认真真的跑一遍流水线，把一些基本指令的流程都弄懂，期中必考的。
还有一个坑就是bge指令的立即数那里，它那个是要左移一位的，最高位补的数字和次高位一样

1.实验目的

参考提供为了更好的理解RISC-V，通过学习RV32I Core的设计图，理解每条指令的数据流和控制信号，为之后指令流水线及乱序发射实验打下基础。

看不清的可以下载

各部分的部件的主要控制信号如下：

1.HarzardUnit

流水线冲突处理模块，基本手段：(1)插入气泡stall，(2)定向路径（前递，转发）forward，(3)冲刷流水段flush，组合逻辑电路，信号说明：

输入：

• CpuRst: 外部信号，用来初始化CPU，当CpuRst1时CPU全局复位清零（所有段寄存器flush），Cpu_Rst0时cpu开始执行指令
• ICacheMiss, DCacheMiss：为后续实验预留信号，暂时可以无视，用来处理cache miss
• BranchE,JalrE,JalD: 控制相关处理信号
• Rs1D,Rs2D,Rs1E,Rs2E,RdE,RdM,RdW: 译码，执行，访存，写会阶段处理数据相关的信号，对应的源寄存器和目标寄存器号码。
• RegReadE: 标记A1和A2对应的寄存器值是否被用到。
• MemToRegE: 标志EX段从data mamory加载数据到寄存器
• RegWriteM,RegWriteW: 标记MEM段和WB段是否有目标寄存器写入操作。

输出：

• StallF,FlushF: IF段插入气泡（维持状态不变）/冲刷（清零）
• StallD,FlushD: ID段插入气泡/冲刷
• StallE,FlushE: EX段插入气泡/冲刷
• StallM,FlushM: MEM段插入气泡/冲刷
• StallW,FlushW: WB段插入气泡/冲刷
• Forward1E,Forward2E: 定向路径控制信号

2.ControlUnit

控制模块（译码器），根据指令的操作码部分Op，func3部分Fn3和func7部分Fn7产生如下控制信号：

输入：

• Op：是指令的操作码部分
• Fn3：是指令的func3部分
• Fn7：是指令的func7部分

输出：

• JalD==1: 标志Jal指令到达指令ID译码阶段
• JalrD==1: 标志Jalr指令到达指令ID译码阶段
• RegWriteD: 表示指令ID译码阶段的寄存器写入模式
• MemToRegD==1: 标志ID阶段指令需要从data memory读取数据到寄存器
• MemWriteD: 共4bit，为1的部分有效，指示data memory的四个字节中哪些需要写入
• LoadNpcD: 标志将NextPC输出到ResultM
• RegReadD: 标志两个源寄存器的使用情况，RegReadD[1] == 1，表示A1对应的寄存器值被使用到了，RegReadD[0] == 1，表示A2对应的寄存器值被使用到了，用于forward处理
• BranchTypeD: 表示不同分支类型（参见BranchDecisionMaking部分）
• AluContrlD: 表示不同算数逻辑运算种类（参见ALU部分）
• AluSrc2D: Alu输入源Operand2的选择
• AluSrc1D: Alu输入源Operand1的选择
• ImmType: 立即数编码格式类型

3.NPC_Generator

用来生成Next PC值的模块，根据不同的跳转信号选择不同的新PC值

输入：

• PCF：旧的PC值
• JalrTarget：jalr指令的对应的跳转目标
• BranchTarget：branch指令的对应的跳转目标
• JalTarget：jal指令的对应的跳转目标
• BranchE==1：Ex阶段的Branch指令确定跳转
• JalD==1：ID阶段的Jal指令确定跳转
• JalrE==1：Ex阶段的Jalr指令确定跳转

输出：

• PC_In：NPC的值

4.RegisterFile

上升沿写入，异步读的寄存器堆，0号寄存器值始终为32’b0

5.ImmOperandUnit

利用正在被译码的指令的部分编码值，生成不同类型的32bit立即数

输入：

• IN：是指令除了opcode以外的部分编码值
• Type：表示立即数编码类型，全部类型定义在Parameters中

输出：

• OUT：表示指令对应的立即数32bit实际值

6.BranchDecisionMaking

跳转判断单元，根据控制信号BranchTypeE指定的分支类型，对操作数Operand1和Operand2进行比较并决定是否跳转，将判断结果通过BranchE输出。各分支类型对应的控制信号如下

7.ALU

算数逻辑运算单元，接受Operand1和Operand2两个操作数，按照控制信号AluContrl执行对应的算术逻辑运算，将结果从AluOut输出

8.DataExt

输入：

• IN：是从Data Memory中load的32bit字
• LoadedBytesSelect：等价于AluOutM[1:0]，是读Data Memory地址的低两位，因为DataMemory是按字（32bit）进行访问的，所以需要把字节地址转化为字地址传给DataMem，DataMem一次返回一个字，低两位地址用来从32bit字中挑选出我们需要的字节
• RegWriteW：表示不同的寄存器写入模式，所有模式定义在Parameters中

输出：

• OUT：表示要写入寄存器的最终值

2.实验步骤

参考提供的RISC-V 32I的设计图，思考每条指令的数据通路，熟悉RISC-V电路图，并且为后续动态分支预测和Tomasulo实验打下基础。

1.安装模拟器Ripes

具体步骤见https://github.com/mortbopet/Ripes

已提供riscv32gcc编译器的ubuntu版本和windows版本，其余版本下载参考：

https://github.com/mortbopet/Ripes/blob/master/docs/c_programming.md

下载后页面如下：

2.生成汇编指令

输入以下代码后生成对应汇编指令

void main()
{
     int A[100];
     int i;
     for(i=0;i<100;i++)
       A[i]=i;
     for(i=1;i<100;i++)
       A[i]=A[i-1]+1000;
}

生成的汇编指令如下：

00010144 <main>://主函数的开始
	//x2的值减去432，然后存回x2。x2寄存器是栈指针，这条指令是为了分配栈空间
    10144:        e5010113        addi x2 x2 -432
    //x8的值存储到x2加上428的内存地址。x8寄存器是帧指针，所以这条指令是为了保存帧指针。
    10148:        1a812623        sw x8 428 x2
    //x2寄存器的值加上432，然后存回x8寄存器。这条指令是为了更新帧指针
    1014c:        1b010413        addi x8 x2 432
    //x0寄存器的值存储到x8寄存器减去20的内存地址。这条指令初始化一个局部变量i为0
    10150:        fe042623        sw x0 -20 x8
    //无条件跳转到当前地址加上40的位置，并将返回地址存储到x0寄存器。
    //因为x0寄存器是零寄存器，所以返回地址会被丢弃。这条指令是为了跳过下面的循环体。
    10154:        0280006f        jal x0 40
    //将x8寄存器减去20的内存地址的值加载到x15寄存器。这条指令是为了读取局部变量i的值
    10158:        fec42783        lw x15 -20 x8
    //将x15寄存器的值左移两位，然后存回x15寄存器。这条指令相当于将i乘以4，因为每个整数占4个字节
    1015c:        00279793        slli x15 x15 2
    //将x8寄存器的值减去16，然后存回x14寄存器。这条指令是为了计算数组A在栈上的起始地址
    10160:        ff040713        addi x14 x8 -16
    //将x14寄存器和x15寄存器的值相加，然后存回x15寄存器。这条指令是为了计算A[i]在栈上的地址
    10164:        00f707b3        add x15 x14 x15
    //将x8寄存器减去20的内存地址的值加载到x14寄存器。这条指令又一次读取局部变量i的值
    10168:        fec42703        lw x14 -20 x8
    //将x14寄存器的值存储到x15寄存器减去404的内存地址。这条指令相当于执行A[i]=i
    1016c:        e6e7a623        sw x14 -404 x15
    //将x8寄存器减去20的内存地址的值加载到x15寄存器。这条指令又一次读取局部变量i的值
    10170:        fec42783        lw x15 -20 x8
    //将x15寄存器的值加上1，然后存回x15寄存器。这条指令相当于执行i++
    10174:        00178793        addi x15 x15 1
    //将x15寄存器的值存储到x8寄存器减去20的内存地址。这条指令相当于更新局部变量i的值
    10178:        fef42623        sw x15 -20 x8
    //将x8寄存器减去20的内存地址的值加载到x14寄存器。这条指令又一次读取局部变量i的值
    1017c:        fec42703        lw x14 -20 x8
    //将x0寄存器的值加上99，然后存回x15寄存器。这条指令相当于将99赋值给一个临时变量
    10180:        06300793        addi x15 x0 99
    //比较x15寄存器和x14寄存器的值，如果x15大于等于x14，就跳转到当前地址减去44的位置。
    //这条指令相当于执行if(i<100) goto loop
    10184:        fce7dae3        bge x15 x14 -44
    //将x0寄存器的值加上1，然后存回x15寄存器。这条指令相当于初始化一个局部变量j为1
    10188:        00100793        addi x15 x0 1
    //将x15寄存器的值存储到x8寄存器减去20的内存地址。这条指令相当于更新局部变量j的值
    1018c:        fef42623        sw x15 -20 x8
    //无条件跳转到当前地址加上64的位置，并将返回地址存储到x0寄存器。
    //因为x0寄存器是零寄存器，所以返回地址会被丢弃。这条指令是为了跳过下面的循环体。
    10190:        0400006f        jal x0 64
    //将x8寄存器减去20的内存地址的值加载到x15寄存器。这条指令是为了读取局部变量j的值
    10194:        fec42783        lw x15 -20 x8
    //将x15寄存器的值减去1，然后存回x15寄存器。这条指令相当于执行j–1
    10198:        fff78793        addi x15 x15 -1
    //将x15的值左移两位，然后存回x15寄存器。这条指令相当于将j-1乘以4，因为每个整数占4个字节
    1019c:        00279793        slli x15 x15 2
    //将x8寄存器的值减去16，然后存回x14寄存器。这条指令是为了计算数组A在栈上的起始地址
    101a0:        ff040713        addi x14 x8 -16
    //将x14寄存器和x15寄存器的值相加，然后存回x15寄存器。这条指令是为了计算A[j-1]在栈上的地址
    *101a4:        00f707b3        add x15 x14 x15
    //将x15寄存器减去404的内存地址的值加载到x15寄存器。这条指令相当于获得A[j-1]的值
    101a8:        e6c7a783        lw x15 -404 x15
    //将x15寄存器的值加上1000，然后存回x14寄存器。这条指令相当于将A[j-1]+1000的值存在x14中
    101ac:        3e878713        addi x14 x15 1000
    //将x8寄存器减去20的内存地址的值加载到x15寄存器。这条指令又一次读取局部变量j的值
    101b0:        fec42783        lw x15 -20 x8
    //将x15寄存器的值左移两位，然后存回x15寄存器。这条指令相当于将j乘以4，因为每个整数占4个字节
    101b4:        00279793        slli x15 x15 2
    //将x8寄存器的值减去16，然后存回x13寄存器。这条指令是为了计算数组A在栈上的起始地址
    101b8:        ff040693        addi x13 x8 -16
    //将x13寄存器和x15寄存器的值相加，然后存回x15寄存器。这条指令是为了计算A[j]在栈上的地址
    101bc:        00f687b3        add x15 x13 x15
    //将x14寄存器的值存储到x15寄存器减去404的内存地址。这条指令相当于执行A[j]=A[j-1]+1000
    101c0:        e6e7a623        sw x14 -404 x15
    //将x8寄存器减去20的内存地址的值加载到x15寄存器。这条指令又一次读取局部变量j的值
    *101c4:        fec42783        lw x15 -20 x8
    //将x15寄存器的值加上1，然后存回x15寄存器。这条指令相当于执行j++
    101c8:        00178793        addi x15 x15 1
    //将x15寄存器的值存储到x8寄存器减去20的内存地址。这条指令相当于更新局部变量j的值
    *101cc:        fef42623        sw x15 -20 x8
    //将x8寄存器减去20的内存地址的值加载到x14寄存器。这条指令又一次读取局部变量j的值
    101d0:        fec42703        lw x14 -20 x8
    //将x0寄存器的值加上99，然后存回x15寄存器。这条指令相当于将99赋值给一个临时变量
    101d4:        06300793        addi x15 x0 99
    //比较x15寄存器和x14寄存器的值，如果x15大于等于x14，就跳转到当前地址减去68的位置。
    //这条指令相当于执行if(j<100) goto loop;
    *101d8:        fae7dee3        bge x15 x14 -68
    //将x0寄存器的值加上0，然后存回x0寄存器。这条指令没有实际作用，只是为了占位
    101dc:        00000013        addi x0 x0 0
    //将x2寄存器加上428的内存地址的值加载到x8寄存器。这条指令是为了恢复帧指针
    101e0:        1ac12403        lw x8 428 x2
    //将x2寄存器的值加上432，然后存回x2寄存器。这条指令是为了释放栈空间
    101e4:        1b010113        addi x2 x2 432
    //跳转到x1寄存器加上0的地址，并将返回地址存储到x0寄存器。
    //因为x0寄存器是零寄存器，所以返回地址会被丢弃。这条指令是为了从main函数返回
    101e8:        00008067        jalr x0 x1 0

3.思考问题

找出循环A[i]=A[i-1]+1000;对应的汇编代码,思考以下问题：

1）指令add x15, x14, x15

问题描述：分析指令add x15, x14, x15（x是指以x开头的通用寄存器），写出该指令在流水线五个阶段（IF、ID、EX、MEM和WB）关键的控制信号（参考RISC V电路设计图），并通过分析指出数据通路

答：这条指令的作用是将x14寄存器中的值加上x15寄存器中的值存到x15寄存器中，其中x14寄存器存入的是数组A的基址地址，x15存入的是偏移量，两者相加后获得A[j-1]的地址

R-型指令	funct7	rs2	rs1	funct3	rd	opcode
add	0000000	01111	01110	000	01111	0110011

这条指令是一条R类型的指令

• IF阶段：

  • 数据通路：
  • 根据PCF，从指令存储器中取出指令00000000111101110000011110110011
    • PC寄存器的值加4，更新为下一条指令的地址
  • 控制信号：无

• ID阶段：

  • 数据通路：
  • 从IF/ID寄存器中译码出指令的操作码(inst[6:0])
    • 在寄存器文件中读出源寄存器地址(inst[24:20],inst[19:15])对应地址的值，送入A1和A2寄存器，送往ID/EX寄存器
    • 将目的寄存器地址(inst[11:7]) 送往ID/EX寄存器
    • 将IF/ID中得到指令段，送往Control Unit控制单元产生控制信号
  • 控制信号：
    • ImmType=3'd0（代表是R类型指令，无需生成立即数）

• EX阶段：

  • 数据通路：
    • 从A1和A2寄存器中取出两个源操作数，送入ALU进行加法运算，得到结果，送入ALUOutE，结果送入EX/MEM寄存器。
    • 上一级传入的控制信号传入下一阶段
    • 从ID/EX中得到Rd（目的寄存器地址），送往EX/MEM寄存器
  • 控制信号：
    • AluContrlE=3，ALU执行加法操作
    • Forward1E=2'b00，第一个操作数选择来自A1寄存器的值
    • Forward2E=2'b00，第二个操作数选择来自A2寄存器的值
    • ALUSrc1E=1，ALU第一个操作数来自A1寄存器
    • ALUSrc2E=2'00，ALU第二个操作数来自A2寄存器
    • RegReadE[1]=1，A1对应的寄存器值被使用到了
    • RegReadE[0]=1，A2对应的寄存器值被使用到了

• MEM阶段：

  • 数据通路：
    • 从EX/MEM寄存器中取出运算结果ALUOutM，送入数据存储器和MemData多路选择器，存入MEM/WB寄存器中。
    • 上一级控制信号传入下一阶段
    • 从EX/MEM中得到Rd（目的寄存器地址），送往MEM/WB寄存器
  • 控制信号：
    • LoadNpcD=1: 将下一条指令的地址存储到ResultM中，以便在WB阶段更新PC寄存器的值
    • MemWriteM=4'0，不写内存

• WB阶段：

  • 数据通路：

    • 从MEM/WB寄存器中取出写回数据，根据RegDst信号选择目的寄存器地址，将数据写入寄存器文件。

  • 控制信号：

    • MemToRegW=1，选择将ALU运算结果传入寄存器文件中
    • RegWriteW=1，写回目的寄存器

2）指令bge x15 x14 -68

问题描述：分析指令bge x15, x14, -68,写出该指令在流水线五个阶段（IF、ID、EX、MEM和WB）关键的控制信号（参考RISC V电路设计图），并通过分析指出数据通路

答：这条指令的作用是比较x15寄存器和x14寄存器的值，如果x15大于等于x14，就跳转到当前地址减去68的位置。这条指令相当于执行if(j<100) goto loop。

指令输入SB-型指令，只会执行IF,ID和EX段。

• IF阶段：
  • 数据通路：
    • 根据PCF，从指令存储器中取出指令11111010111001111101111011100011。
    • PC寄存器的值加4，更新为下一条指令的地址。
  • 控制信号：无
• ID阶段：
  • 数据通路：
    • 寄存器堆A1，A2地址分别为rs1，rs2，读出待比较的值RegOut1D和RegOut2D
    • Immediate Generate生成立即数并传入ImmD，左移一位后与PCD相加得到JalNPC，传入段寄存器
    • 指令Inst传给Controller Decoder，生成控制信号
  • 控制信号：
    • ImmTypeD=3’b011，Imm左移两位并符号扩展，传入ImmD，结果为-224
• EX阶段：
  • 数据通路：
    • Branch Decision单元执行Reg1-Reg2 ，如果结果大于等于0，则BrE信号应该被设置为1，表示应该跳转。
    • 否则BrE应该被设置为0，表示不跳转，指令继续按地址的顺序执行
  • 控制信号：
    • BranchTypeE=3’001，代表BEQ指令
    • BrE=1，代表跳转，
    • BrT信号应该被设置为当前指令地址加上偏移量（-68），即PC + ImmE，即-68<<2(PC是当前指令的地址，左移两位是因为指令存储器是四字节地址寻址的）
    • BrE=0，代表不跳转， 则BrT信号被设置为下一条指令的地址，即PC+4
    • Forward1E=2'b00，第一个操作数选择来自A1寄存器的值
    • Forward2E=2'b00，第二个操作数选择来自A2寄存器的值
    • ALUSrc1E=1，reg1来自A1寄存器
    • ALUSrc2E=2'00，reg2来自A2寄存器

3）指令lw x15, -20 x8

问题描述：分析指令lw x15, -20 x8，写出该指令在流水线五个阶段（IF、ID、EX、MEM和WB）关键的控制信号（参考RISC V电路设计图），并通过分析指出数据通路

答：指令的作用是将x8寄存器减去20的内存地址的值加载到x15寄存器。其中x8寄存器减去20的内存地址的值即为局部变量i的值，所以这里是将i的值赋给x15寄存器

I-型指令	immediate	rs1	funct3	rd	opcode
lw	111111101100	01000	010	01111	0000011

这是一条I-型指令：

• IF阶段：
  • 数据通路：
    • 根据PCF，从指令存储器中取出指令11111110110001000010011110000011
    • PC寄存器的值加4，更新为下一条指令的地址。
  • **控制信号：**无
• ID阶段：
  • 数据通路：
    • 指令Inst传给Controller Decoder，生成控制信号
    • A1读入源寄存器地址(inst[19:15])，将读出的值RegOut1D送入ID/EX寄存器
    • 将目的寄存器地址(inst[11:7])rd送往ID/EX寄存器
    • Immediate Generate生成立即数，将立即数扩展为32位，送入ImmD，接着送入ID/EX寄存器。
  • 控制信号：
    • ImmType=3'd1，代表是I类型指令，需要生成立即数
    • RegWriteW=1，结果写回目的寄存器x15
• EX阶段：
  • 数据通路：
    • 从A1寄存器和ImmOperandUnit中取出两个源操作数，送入ALU进行加法运算，得到内存地址，送入ALUOutE，结果送入EX/MEM寄存器。
    • 从上一级获得控制信号并传入下一级
    • 从ID/EX中得到Rd地址，送往EX/MEM寄存器
  • 控制信号：
    • AluContrlE=4'b0011 ，ALU执行加法操作
    • Forward1E=2'b00，第一个操作数选择来自A1寄存器的值
    • Forward2E=2'b01，第二个操作数选择来自立即数
    • ALUSrc1E=1'b1，ALU第一个操作数来自A1寄存器
    • ALUSrc2E=2'b00，ALU第二个操作数来自Imm寄存器
    • RegReadE[1]=1，A1对应的寄存器值被使用到了
• MEM阶段：
  • 数据通路：
    • 从EX/MEM中得到ALU运算结果，送往数据存储器取出对应地址内容，内容送往MEM/WB寄存器
    • 从上一级获得控制信号并传入下一级
    • 从EX/MEM中得到Rd地址，送往MEM/WB寄存器
  • 控制信号：
    • LoadNpcD=0，将NextPC输出到ResultM
    • MemWriteM=4'b0000,不写内存
• WB阶段：
  • 数据通路：
    • 从MEM/WB中得到存储器内容，送往DataExt数据扩展单元扩展后送往寄存器堆
    • 从MEM/WB中得到Rd写回地址，送往寄存器堆用于写回上方内容
  • 控制信号：
    • MemToRegW=0，标志WB阶段指令需要从内存读取数据到寄存器
    • RegWriteW=1，写回目的寄存器x15
    • LoadedBytesSelect=4，相当于ResultW[3:0]，即选取要取的4字节数据

4）指令sw x15, -20 x8

问题描述：分析指令sw x15, -20 x8，写出该指令在流水线五个阶段（IF、ID、EX、MEM和WB）关键的控制信号（参考RISC V电路设计图），并通过分析指出数据通路

答：这是一条S-型指令，它的作用是将寄存器x15中的值存储到地址为寄存器x8中的值减去20处的内存中。这条指令相当于更新局部变量i的值

• IF阶段：
  • 数据通路：
    • 根据PCF，从指令存储器中取出指令11111110111101000010011000100011
    • PC寄存器的值加4，更新为下一条指令的地址。
  • 控制信号：无
• ID阶段：
  • 数据通路：
    • 指令Inst传给Controller Decoder，生成控制信号
    • A2读入源寄存器地址(inst[24:20])，将读出的值RegOut2D送入ID/EX寄存器
    • A1读入目的寄存器地址(inst[19:15])，将读出的值RegOut1D送入ID/EX寄存器
    • Immediate Generate生成立即数，将立即数扩展为32位，送入ImmD，接着送入ID/EX寄存器。
  • 控制信号：
    • ImmType，S类型指令，需要生成立即数
• EX阶段：
  • 数据通路：
    • 从A1寄存器和ImmOperandUnit中取出两个源操作数，送入ALU进行加法运算，得到要写入的内存地址，送入ALUOutE，结果送入EX/MEM寄存器。
    • 从上一级获得控制信号并传入下一级
    • 从ID/EX中得到A2寄存器读出的值RegOut2E，送往EX/MEM寄存器
  • 控制信号：
    • AluContrlE=3，代表ALU执行ADD运算
    • Forward1E=2'b00，第一个操作数选择来自A1寄存器的值
    • Forward2E=2'b00，将A2寄存器读出的值RegOut2E传递下去
    • AluSrc1E=1'b1，代表ALU第一个操作数来自A1寄存器
    • AluSrc2E=2'b10，代表ALU第二个操作数来自Imm寄存器
    • RegReadE[1]=1，A1对应的寄存器值被使用到了
• MEM阶段：
  • 数据通路：
    • 从EX/MEM寄存器读出要写入内存的值，通过StoreDataM写入Data Memory的WD接口
    • 从EX/MEM寄存器读出要写入的内存地址，AluOutM写入A接口
    • 从上一级获得控制信号并传入下一级
  • 控制信号：
    • LoadNpcD=1，将NextPC输出到ResultM
    • MemWriteM=1，本条指令需要将数据写入内存
• WB阶段：
  • 数据通路：无需进行写回操作。
  • 控制信号：
    • MemToRegW=0，不需要从内存读取数据到寄存器
    • RegWriteW=0，不需要写回目的寄存器

5）简述BranchE信号的作用

BranchE信号是指令执行(EX)阶段的一个控制信号，用于判断是否需要进行分支跳转。在流水线的EX阶段

• 如果指令是分支指令，例如beq、bne等，那么BranchE信号将被设置为1，表示需要进行分支跳转。同时，根据指令的操作数和ALU的计算结果，计算出是否需要跳转，即将BrT信号设置为1或0。
  • 如果需要跳转，则将跳转目标地址计算出来，并将其写入PC寄存器，以便在下一次IF阶段时取出目标指令进行执行。
  • 否则，PC寄存器继续累加4，直接取出下一条指令进行执行

6）NPC Generator

NPC Generator 中对于不同跳转 target 的选择有没有优先级？如果有，请举例并分析。如果没有，请解释原因

答：有。

JalrT、BrT 和 JalT 是 RISC-V CPU 中用于控制跳转指令的信号。

• JalrT：Jalr Target，用于指示 CPU 是否需要跳转到 Jalr 指令中给定的目标地址。当 JalrT 信号为高电平时，CPU 将跳转到 Jalr 指令中给定的目标地址。
• BrT：Branch Target，用于指示 CPU 是否需要跳转到分支指令中给定的目标地址。当 BrT 信号为高电平时，CPU 将跳转到分支指令中给定的目标地址。
• JalT：Jal Target，用于指示 CPU 是否需要跳转到 Jal 指令中给定的目标地址。当 JalT 信号为高电平时，CPU 将跳转到 Jal 指令中给定的目标地址。

Jalr 指令的目标地址是通过寄存器的内容计算得到的，而 Jal 指令的目标地址则是在指令中直接给出的。

branch和jalr是EX段跳转，而jal是在ID段跳转。所以必须设置优先级，使得在后的指令先跳转。因此JalrT和BrT的优先级高于JalT

同时，若修改数据通路，使得br,jal,jalr均在EX段跳转，则不会有冲突，此时也就不需要设置优先级。

4.附加思考题：

1）插入气泡

Harzard模块中，有哪几类冲突需要插入气泡（NOP指令），分别使流水线停顿几个周期。（提示：有三类冲突）

答：

• RAW类冲突：如Load和ALU指令，在ALU计算时，操作数还未读出来。在EX段Stall，使流水线停顿1个周期
• 控制相关的冲突：如在跳转时，需要插入气泡，flush掉IF段取的指令，停顿1个周期
• 条件转移的冲突：在条件转移时，需要插入气泡，flush掉IF，ID段取的指令，停顿2个周期

2）branch指令

Harzard模块中，采用静态分支预测器，即默认不跳转，遇到branch指令时，如何控制flush和stall信号？

答：

Branch指令在EX段判断。如果发生分支，则需要Flush IF/ID和ID/EX段寄存器来保证数据不被后方指令错误使用。否则不需要flush或stall。

3.实验总结

在实验中，我学习了RISC-V指令集架构的基本概念和特点，了解了RISC-V Core的基本组成和工作原理，学习了每条指令的数据流和控制信号。

总的来说，通过本实验的学习，我对RISC-V指令集架构有了更深入的理解，了解了每条指令的数据流和控制信号，同时也对RISC-V Core的组成和工作原理有了更清晰的认识。在实验中，我还了解了一些常用的数字电路和计算机体系结构的概念，例如时钟信号、寄存器、ALU等等。

计算时，操作数还未读出来。在EX段Stall，使流水线停顿1个周期

• 控制相关的冲突：如在跳转时，需要插入气泡，flush掉IF段取的指令，停顿1个周期
• 条件转移的冲突：在条件转移时，需要插入气泡，flush掉IF，ID段取的指令，停顿2个周期