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为了优化流水线设计，我将MEM阶段和WB阶段放在了同一个时钟周期，没有使用段寄存器，理由如下：

  1. 大部分指令没有访存操作，因此可以直接在这一时钟周期完成写回操作；
  2. 对于store指令，没有写回操作，因此可以直接在这一时钟周期完成访存操作；
  3. 对于load指令，由于DRAM是异步读取，可以在这一时钟周期完成读取并准备好写回的数据，在下一个时钟上升沿写回，而不需要通过段寄存器延迟一个时钟周期。

andi指令波形分析

测试样例：

00000000 <_start>:
   0:	0040006f          	jal	x0,4 <reset_vector>

00000004 <reset_vector>:
   4:	ff0100b7          	lui	x1,0xff010
   8:	f0008093          	addi	x1,x1,-256 # ff00ff00 <_end+0xff00df00>
   c:	f0f0f713          	andi	x14,x1,-241
  10:	ff0103b7          	lui	x7,0xff010
  14:	f0038393          	addi	x7,x7,-256 # ff00ff00 <_end+0xff00df00>
  18:	00200193          	addi	x3,x0,2
  1c:	1a771463          	bne	x14,x7,1c4 <fail>

wave

如图所示，可以看到：

  1. 240ps时，andi x14,x1,-241指令在IF阶段，addi x1,x1,-256指令在ID阶段，lui x1,0xff010指令在EX阶段；
  2. 250ps时，andi指令进入ID阶段，addi指令进入EX阶段，lui指令进入MEM&WB阶段；
  3. 250ps时，andi的第一个操作数为x1，x1的较新值目前仍在EX阶段尚未写回，通过前递逻辑从EX阶段取得，为0xff00ff00；
  4. 250ps时，andi的第二个操作数为-241，-241经过符号拓展为0xffffff0f；
  5. 260ps时，两个操作数的值以及各种控制信号通过ID_EX段寄存器传递给EX阶段；
  6. 260ps时，andi指令进入EX阶段，addi指令进入MEM&WB阶段；
  7. 260ps时，alu.C=0xff00ff00 & 0xffffff0f = 0xff000f00，通过EX_MEM段寄存器传递给MEM&WB阶段；
  8. 270ps时，andi指令进入MEM&WB阶段，wb_wD=0xff000f00，写回寄存器x14；

lb指令波形分析

测试样例：

00000000 <_start>:
   0:	0040006f          	jal	x0,4 <reset_vector>

00000004 <reset_vector>:
   4:	000020b7          	lui	x1,0x2
   8:	00008093          	addi	x1,x1,0 # 2000 <begin_signature>
   c:	00008703          	lb	x14,0(x1)
  10:	fff00393          	addi	x7,x0,-1
  14:	00200193          	addi	x3,x0,2
  18:	22771c63          	bne	x14,x7,250 <fail>

wave

如图所示，可以看到：

  1. 240ps时，lb x14,0(x1)指令在IF阶段，addi x1,x1,0指令在ID阶段，lui x1,0x2指令在EX阶段；
  2. 250ps时，lb指令进入ID阶段，addi指令进入EX阶段，lui指令进入MEM&WB阶段；
  3. 250ps时，lb指令需要获取EX阶段的操作数，即基地址和偏移量，其中基地址（即x1寄存器）的较新值目前仍在EX阶段尚未写回，通过前递逻辑从EX阶段取得，为0x00002000；
  4. 250ps时，lb指令的偏移量为0，经过符号拓展为0x00000000；
  5. 260ps时，两个操作数的值以及各种控制信号通过ID_EX段寄存器传递给EX阶段；
  6. 260ps时，lb指令进入EX阶段，addi指令进入MEM&WB阶段；
  7. 260ps时，alu.C=0x00002000 + 0x00000000 = 0x00002000，通过EX_MEM段寄存器传递给MEM&WB阶段；
  8. 270ps时，lb指令进入MEM&WB阶段，通过DM模块从地址0x2000读取数据，此时ex_mem.ram_mode=2，即单字节读取模式，读取到的单字节经过符号拓展为dm.rdo_ext=0xffffffff；
  9. 270ps时，wb_wD=0xffffffff，写回寄存器x14；

beq指令波形分析

测试样例：

00000000 <_start>:
   0:	0040006f          	jal	x0,4 <reset_vector>

00000004 <reset_vector>:
   4:	00200193          	addi	x3,x0,2
   8:	00000093          	addi	x1,x0,0
   c:	00000113          	addi	x2,x0,0
  10:	00208663          	beq	x1,x2,1c <reset_vector+0x18>
  14:	2a301863          	bne	x0,x3,2c4 <fail>
  18:	00301663          	bne	x0,x3,24 <test_3>
  1c:	fe208ee3          	beq	x1,x2,18 <reset_vector+0x14>
  20:	2a301263          	bne	x0,x3,2c4 <fail>

wave

如图所示，可以看到：

  1. 250ps时，beq x1,x2,1c指令在IF阶段，addi x1,x0,0指令在ID阶段，addi x2,x0,0指令在EX阶段，addi x3,x0,2指令在MEM&WB阶段；
  2. 260ps时，beq指令进入ID阶段，addi x1,x0,0指令进入EX阶段，addi x2,x0,0指令进入MEM&WB阶段；
  3. 260ps时，beq指令的第一个操作数x1的较新值目前仍在EX阶段尚未写回，通过前递逻辑从EX阶段取得，为0x00000000；
  4. 260ps时，beq指令的第二个操作数x2的较新值目前仍在MEM&WB阶段尚未写回，通过前递逻辑从MEM&WB阶段取得，为0x00000000；
  5. 270ps时，两个操作数的值以及各种控制信号通过ID_EX段寄存器传递给EX阶段；
  6. 270ps时，beq指令进入EX阶段，addi x1,x0,0指令进入MEM&WB阶段；
  7. 270ps时，alu.zf=1，即相等比较运算结果为真，beq指令判定为需要跳转，ex_b信号为1；
  8. 270ps时，冒险处理逻辑根据ex_b信号，指定ex_nop=id_nop=1，即在ID和EX阶段插入一条空指令；
  9. 270ps时，NPC模块根据ex_b信号，指定npc.npc=ex_pcb[31:2]=0x0000007，即跳转到0x0000001c处；
  10. 280ps时，pc.pc=0x0000001c，即跳转到0x0000001c处执行；