RV32I 单周期数据通路

Thu, 24 Sep 2026 00:00:00 +0000

逐指令数据通路说明（配图版）

本文是单周期 RV32I CPU的配套篇：不再用文字画框图，而是逐类说明每条指令的数据通路走向，并标注对应的数据通路图应放在哪里。请将绘制的图片统一放在本目录 Datapath/ 下，文件名按下方标注命名即可直接渲染。

同 opcode 的指令共享同一套数据通路，区别仅在于 ALU 具体运算（由 funct3/funct7 决定）与立即数格式（imm_sel）。因此按 9 类 opcode 组织，每类列出覆盖的全部指令。

公共部分（所有指令共用）

在取指阶段 PC 给出地址从 IMEM 读出 32 位指令；指令字经字段提取得到 opcode / funct3 / funct7 / rs1 / rs2 / rd，其中 opcode/funct3/funct7 送 Control 译码，rs1/rs2 送 RegFile 读端口，rd 作为写回地址。同时 ImmGen 按类型生成符号扩展立即数。执行阶段 ALU 的 A 端由 alu_a_sel 选 rdata1 或 PC，B 端由 alu_src 选 rdata2 或 imm；ALU 输出 alu_result（及 zero 标志）。结果经 WBMUX（wb_sel 选择）写回 RegFile，访存类经 DMEM，下一条 PC 由 pc_next 选择逻辑决定。

1. R-type —— 寄存器-寄存器运算（10 条）

覆盖指令：add sub and or xor sll srl sra slt sltu

数据通路为 RegFile.rdata1 → ALU.A、RegFile.rdata2 → ALU.B（因 alu_src=0，B 端取 rs2）。ALU 运算结果直接经 WBMUX（wb_sel=00）写回 RegFile.rd（reg_write=1）。不经过 DMEM，不改变 PC 流向，PC_next = PC + 4。ALU 运算由 {funct7[5], funct3} 选择：0000 ADD / 1000 SUB / 0111 AND / 0110 OR / 0100 XOR / 0001 SLL / 0101 SRL / 1101 SRA / 0010 SLT / 0011 SLTU。

关键控制信号：reg_write=1, alu_src=0, mem_read=0, mem_write=0, branch=0, jump=0, wb_sel=00, alu_a_sel=0, imm_sel=000，alu_op根据命令取值

2. I-type —— 寄存器-立即数运算（9 条）

覆盖指令：addi andi ori xori slti sltiu slli srli srai

数据通路与 R-type 几乎一致，唯一区别是 ALU.B 由 alu_src=1 改为取 ImmGen 输出的立即数（rdata2 不再参与）。ALU 结果经 WBMUX（wb_sel=00）写回 rd。不访存，PC_next = PC + 4。ALU 运算由 funct3 选择；slli/srli/srai 移位量来自立即数低 5 位，其中 srli 与 srai 再靠 funct7[5] 区分逻辑/算术右移。注意没有 subi，减法用 addi 传负数实现。

关键控制信号：reg_write=1, alu_src=1, mem_read=0, mem_write=0, branch=0, jump=0, wb_sel=00, alu_a_sel=0, imm_sel=000

3. LOAD —— 从存储器加载（5 条）

覆盖指令：lw lh lb lhu lbu

ALU 计算地址（A=rdata1，B=imm，alu_src=1，即 rs1 + imm），地址送 DMEM；DMEM 在 mem_read=1 时输出 rdata。rdata 经 WBMUX（wb_sel=01，选 MEM）写回 RegFile.rd（reg_write=1）。不写存储器，PC_next = PC + 4。读写宽度/符号扩展由 funct3 决定：000 LB(符号) / 001 LH(符号) / 010 LW / 100 LBU(零扩展) / 101 LHU(零扩展)。

关键控制信号：reg_write=1, alu_src=1, mem_read=1, mem_write=0, branch=0, jump=0, wb_sel=01, alu_a_sel=0, imm_sel=000

4. STORE —— 写入存储器（3 条）

覆盖指令：sw sh sb

ALU 计算地址（rs1 + imm，alu_src=1），地址送 DMEM。待写入的数据来自 rs2（RegFile.rdata2），在 mem_write=1 时写入 DMEM。STORE 不写回寄存器（reg_write=0），也不经过 WBMUX 写回。PC_next = PC + 4。宽度由 funct3 决定：000 SB / 001 SH / 010 SW。画图时注意区分：地址用 rs1，数据是 rs2。

关键控制信号：reg_write=0, alu_src=1, mem_read=0, mem_write=1, branch=0, jump=0, wb_sel=—, alu_a_sel=0, imm_sel=001

5. BRANCH —— 条件分支（6 条）

覆盖指令：beq bne blt bge bltu bgeu

ALU 对 rs1/rs2 做比较（alu_src=0，不访存、不写回）。ALU 输出的 zero 或 result[0] 送「分支判断」逻辑，结合 branch=1 与 funct3 得到 branch_taken。下一条 PC 选择：branch_taken ? PC + imm(B型) : PC + 4。BRANCH 既不写寄存器也不访存。ALU 固定执行减/比较：beq/bne → SUB 看 zero；blt/bge → SLT(有符号)；bltu/bgeu → SLTU(无符号)，由 funct3[2:1] 与 funct3[0] 区分相等/大小比较及是否取反。

关键控制信号：reg_write=0, alu_src=0, mem_read=0, mem_write=0, branch=1, jump=0, wb_sel=—, alu_a_sel=0, imm_sel=010

6. JAL —— 无条件跳转并链接（1 条）

覆盖指令：jal

跳转目标 = PC + imm（J 型立即数），不经过 ALU 做地址运算，直接送「下一条 PC 选择」逻辑（jump=1 → pc_next = PC + imm）。同时 PC + 4 经 WBMUX（wb_sel=10，选 PC+4）写回 RegFile.rd（reg_write=1）作为返回地址。不访存，ALU 在此类指令中可闲置。

关键控制信号：reg_write=1, alu_src=0, mem_read=0, mem_write=0, branch=0, jump=1, wb_sel=10, alu_a_sel=0, imm_sel=100

7. JALR —— 寄存器间接跳转并链接（1 条）

覆盖指令：jalr

文字描述：跳转地址 = rs1 + imm，由 ALU 计算（alu_src=1，A=rdata1，B=imm），结果清最低位（[0]=0）后作为 pc_next（jump=1）。同时 PC + 4 经 WBMUX（wb_sel=10）写回 rd（reg_write=1）作为返回地址。最常用形式 jalr x0, 0(x1) 不保存返回地址（rd=x0）。不访存。

关键控制信号：reg_write=1, alu_src=1, mem_read=0, mem_write=0, branch=0, jump=1, wb_sel=10, alu_a_sel=0, imm_sel=000

8. LUI —— 载入高位立即数（1 条）

覆盖指令：lui

U 型立即数（高 20 位，低 12 位清零）直接经 WBMUX（wb_sel=11，选立即数）写回 RegFile.rd（reg_write=1）。不经过 ALU 运算，也不访存，不访存。PC_next = PC + 4。画图时只需把 ImmGen 输出接到 WBMUX 的 imm 输入端即可。

关键控制信号：reg_write=1, alu_src=—, mem_read=0, mem_write=0, branch=0, jump=0, wb_sel=11, alu_a_sel=0, imm_sel=011

9. AUIPC —— 地址无关高位立即数（1 条）

覆盖指令：auipc

文字描述：ALU 的 A 端由 alu_a_sel=1 改为取 PC，B 端由 alu_src=1 取 U 型立即数，执行 ADD 得到 PC + (imm << 12)。结果经 WBMUX（wb_sel=00）写回 RegFile.rd（reg_write=1）。不访存，PC_next = PC + 4。常用于与 jal 配合构造任意 32 位跳转/PC 相对地址。

关键控制信号：reg_write=1, alu_src=1, mem_read=0, mem_write=0, branch=0, jump=0, wb_sel=00, alu_a_sel=1, imm_sel=011

控制信号速查表（9 类汇总，供画图对照）

opcode	类型	reg_write	alu_src	mem_read	mem_write	branch	jump	wb_sel	alu_a_sel	imm_sel
`0110011`	R-type	1	0	0	0	0	0	00	0	—
`0010011`	I-type	1	1	0	0	0	0	00	0	000
`0000011`	LOAD	1	1	1	0	0	0	01	0	000
`0100011`	STORE	0	1	0	1	0	0	—	0	001
`1100011`	BRANCH	0	0	0	0	1	0	—	0	010
`1101111`	JAL	1	0	0	0	0	1	10	0	100
`1100111`	JALR	1	1	0	0	0	1	10	0	000
`0110111`	LUI	1	—	0	0	0	0	11	0	011
`0010111`	AUIPC	1	1	0	0	0	0	00	1	011

该表与单周期 RV32I CPU中 Control 模块的译码表完全一致，可作为画图时每个 MUX 选择位的标注依据。

数据通路 on Lumenth