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【RISC-V设计-06】- RISC-V处理器设计K0A之ALU

1.简介

算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，简称 ALU）是计算机中央处理器（CPU）的核心组成部分之一，负责执行各种算术和逻辑运算。在本设计中，ALU模块具有两个作用，一是对所有运算指令操作数的处理，二是对跳转指令地址的处理。

2.顶层设计

3.内部结构

ALU模块包含两个加法器，分别称之为运算加法器和地址加法器，运算加法器在本设计中具有多重用途，如下

1. 执行加法运算，本设计中包含一个33bit+33bit的全加器，含最低位进位；
2. 执行减法运算，根据规则，减去一个数等于加上这个数的取反再加一；
3. 执行无符号比较运算，根据规则，小数减大数需要向高位借位；
4. 执行有符号比较运算，根据规则，补码变换为移码后，单调性不变，再应用3）无符号比较运算；

考虑到在执行条件跳转指令时，既需要ALU执行比较运算（也即加法运算），同时又需要计算地址偏移，一个加法器显然是不夠的，因此，ALU内部还包含一个20bit+20bit的加法器，用于地址的运算。此加法器为20bit加法器，位宽相对较小，不经过其它复用逻辑，直接运算，可为执行加载存储指令的地址的送出提供一定的时序裕量。

ALU内部包含两个移位电路，分别是逻辑左移和逻辑右移。为了节省资源，算术右移并没有单独再使用一个移位器，而是通过同时调用逻辑左移和逻辑右移来实现。如下图

ALU内部包含一个异或电路，用来执行异或指令，同时，也用于判断两个操作数rs1和rs2是否相等，异或逻辑的输出后接了一级和0比较的比较器。如下图

ALU内部包含一个逻辑与电路和一个逻辑或电路，用于执行与、或等逻辑指令。考虑到与、或逻辑相对比较简单，为了时序上的优化，所以CSR相关的指令并没使用ALU。如下图

4.端口说明

序号	端口	位宽	方向	说明
1	idu2alu_op	4	输入	ALU的操作码，来自指令译码单元
2	idu2alu_rs1	32	输入	运算的第一操作数，来自指令译码单元
3	idu2alu_rs2	32	输入	运算的第二操作数，来自指令译码单元
4	alu2idu_res	32	输出	数值运算的结果，送给指令译码单元
5	alu2idu_cmp	1	输出	比较运算的结果，送给指令译码单元
6	idu2alu_addr1	20	输入	地址运算的第一操作数
7	idu2alu_addr2	20	输入	地址运算的第二操作数
8	idu2alu_addro	20	输出	地址运算的输出结果

5.操作码说明

操作码	指令	功能	数值结果	比较结果	指令
4‘b0000	add	算术运算，加法	res = rs1 + rs2	----	add, addi, auipc
4’b1000	sub	算术运算，减法	res = rs1 - rs2	----	sub
4’b0001	sll	逻辑运算，左移	res = rs1 << rs2[4:0]	----	sll, slli
4‘b1010	slt	比较运算，有符号小于	----	cmp = rs1 < rs2 ? 1’b1 : 1’b0	slt, slti
4’b0011	sltu	比较运算，无符号小于	----	cmp = rs1 < rs2 ? 1’b1 : 1’b0	sltu, sltiu
4’b0100	xor	逻辑运算，异或	res = rs1 ^ rs2	----	xor, xori
4’b0101	srl	逻辑运算，逻辑右移	res = rs1 >> rs2[4:0]	----	srl, srli
4’b1101	sra	逻辑运算，算术右移	res = rs1 >>> rs2[4:0]	----	sra, srai
4’b0110	or	逻辑运算，或	res = rs1 | rs2	----	or, ori
4’b0111	and	逻辑运算，与	res = rs1 & rs2	----	and, andi
4‘b0100	beq	条件转移，相等跳转	----	cmp = rs1 == rs2?1’b1:1’b0	beq
4‘b0100	bne	条件转移，不等跳转	----	cmp = rs1 == rs2?1’b1:1’b0	bne
4’b1010	blt	条件转移，有符号小于跳转	----	cmp = rs1 < rs2?1’b1:1’b0	blt
4’b0011	bltu	条件转移，无符号小于跳转	----	cmp = rs1 < rs2?1’b1:1’b0	bltu
4’b1010	bge	条件转移，有符号大于等于跳转	----	cmp = rs1 < rs2?1’b1:1’b0	bge
4’b0011	bgeu	条件转移，无符号大于等于跳转	----	cmp = rs1 < rs2?1’b1:1’b0	bgeu

注：1）操作码的定义基本沿用了指令集中的操作码，指令译码器可以直接从指令中提取操作码，减少指令译码器的译码逻辑电路。2）在执行auipc指令时，由于是32位运算，且执行此指令时ALU加法器并未工作，借用了ALU中运算加法器。

6.设计代码

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// Copyright 2024 Kearn Chen, kearn.chen@aliyun.com
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//     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
// 
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// distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
// WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
// See the License for the specific language governing permissions and
// limitations under the License.
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// Description :
//             1. Arithmetic and Logic Unit
// -------------------------------------------------------------------------------------------------module k0a_core_alu (input  wire [3:0]   idu2alu_op    ,input  wire [31:0]  idu2alu_rs1   ,input  wire [31:0]  idu2alu_rs2   ,output wire [31:0]  alu2idu_res   ,output wire         alu2idu_cmp   ,input  wire [19:0]  idu2alu_addr1 ,input  wire [19:0]  idu2alu_addr2 ,output wire [19:0]  alu2idu_addro
);wire op_add  = idu2alu_op[2:0] == 3'b000;
wire op_sll  = idu2alu_op[2:0] == 3'b001;
wire op_slt  = idu2alu_op[2:0] == 3'b010;
wire op_sltu = idu2alu_op[2:0] == 3'b011;
wire op_xor  = idu2alu_op[2:0] == 3'b100;
wire op_srl  = idu2alu_op[2:0] == 3'b101;
wire op_or   = idu2alu_op[2:0] == 3'b110;
wire op_and  = idu2alu_op[2:0] == 3'b111;wire [31:0] alu_and = idu2alu_rs1 & idu2alu_rs2;
wire [31:0] alu_or  = idu2alu_rs1 | idu2alu_rs2;
wire [31:0] alu_xor = idu2alu_rs1 ^ idu2alu_rs2;wire [31:0] alu_inv = idu2alu_rs2 ^ {32{idu2alu_op[3]}};wire [32:0] alu_in1 = {1'b0, op_slt ^ idu2alu_rs1[31], idu2alu_rs1[30:0]};
wire [32:0] alu_in2 = {idu2alu_op[3], op_slt ^ alu_inv[31], alu_inv[30:0]};wire [32:0] alu_add = alu_in1 + alu_in2 + idu2alu_op[3];wire [31:0] alu_srs = idu2alu_op[3] ? {{31{idu2alu_rs1[31]}}, 1'b0} : idu2alu_rs1;wire [31:0] alu_sll = alu_srs << alu_inv[4:0];
wire [31:0] alu_srl = idu2alu_rs1 >> idu2alu_rs2[4:0];
wire [31:0] alu_sra = {32{idu2alu_op[3]}} & alu_sll | alu_srl;wire alu_zero = alu_add[31:0] == 32'd0;wire alu_slt = (op_slt | op_sltu) & alu_add[32];assign alu2idu_res = {32{op_add}} & alu_add[31:0]  | {32{op_and}} & alu_and |{32{op_xor}} & alu_xor        | {32{op_or }} & alu_or  |{32{op_sll}} & alu_sll        | {32{op_srl}} & alu_sra |{31'd0, alu_slt};assign alu2idu_cmp = op_add & alu_zero | alu_slt;assign alu2idu_addro = idu2alu_addr1 + idu2alu_addr2;endmodule

7.总结

本文介绍了RISC-V架构所需的基本算术和逻辑运算的ALU实现。通过不同的操作码，可以执行多种运算，支持处理器的指令集执行。得益于较为规整的RISCV指令集，ALU的op操作码的定义和指令集的定义基本一致，避免了指令译码器先译码再编码的过程，操作码可直接从指令中提取，简化了逻辑，优化了时序和面积；多功能复用的运算加法器，通过一个加法器，实现了加法、减法、无符号、有符号比较等多种运算的统一，避免了逻辑功能的重复与浪费；算术右移逻辑复用同时复用了逻辑左移和逻辑右移，避免了再使用一个移位器，进一步压缩了面积。