从一块 FPGA 开始，亲手造一颗 CPU：RISC-V 五级流水线实战全记录
本文将介绍如何在 Xilinx FPGA 上，使用 Verilog 从零实现一个完整的 RISC-V 五级流水线 CPU。不是调用 IP 核，不是简化版 demo，而是包含取指、译码、执行、访存、写回五大阶段，并解决真实数据冒险与控制冒险的可运行核心。
为什么是 RISC-V + FPGA？
- 开放免费：没有授权费，文档齐全，连寄存器编码都写得明明白白。
- 简洁清晰：RV32I 只有 40 多条指令，没有 x86 那样层层嵌套的历史包袱。
- 模块化扩展：基础整数指令够用，后续想加浮点、压缩指令、向量扩展，都可以一步步来。
而 FPGA 呢？它就像一块'数字黏土'——你可以把它捏成任何你想要的电路形态。不像 ASIC 动辄百万成本，也不像 MCU 被固化功能束缚。改个逻辑，重新综合，几分钟后就能烧录验证。
更重要的是，你能看到一切。ILA（集成逻辑分析仪）可以抓取内部任意信号波形，就像给 CPU 做 CT 扫描。这种透明度，在真实芯片里根本不可能实现。
所以，当你把 RISC-V 和 FPGA 放在一起，得到的不只是一个软核，而是一个可观察、可调试、可演进的计算系统沙盒。
五级流水线：让 CPU'并行'起来的秘密
如果每条指令都要走完取指、译码、执行、访存、写回五个步骤，是不是意味着每个周期只能完成一条指令？
错。现代 CPU 之所以快，靠的不是单条指令跑得飞快，而是让多条指令同时处于不同阶段，像工厂流水线一样源源不断地出货。
这就是五级流水线的核心思想。
拆解五大阶段
我们可以把 CPU 想象成一家自动化面包店：
| 阶段 | 对应操作 | 类比 |
|---|---|---|
| IF（Instruction Fetch） | 根据 PC 读取指令 | 店员去仓库拿食谱 |
| ID（Instruction Decode） | 解码指令，读取寄存器值 | 看懂食谱，准备好原料 |
| EX（Execute） | ALU 运算或地址计算 | 开始揉面、发酵 |
| MEM（Memory Access） | 访问内存（load/store） | 把成品放进/拿出烤箱 |
| WB（Write Back） | 写结果回寄存器 | 把做好的面包摆上货架 |
理想情况下，每个时钟周期都有一个新任务进入流程，也有一个成品离开。虽然单条指令仍需 5 拍才能完成，但吞吐率接近每周期一条指令。
💡 关键指标：
- CPI（Clocks Per Instruction） ≈ 1（理想状态）
- 加速比 ≈ 5 倍于非流水线设计
但现实没那么美好。流水线会遇到三大障碍：结构冲突、数据冒险、控制冒险。处理不好，性能反而不如单周期。
接下来，我们就一个个攻破它们。
如何在 Xilinx FPGA 上搭建这个 CPU？
目标明确：使用 Digilent Nexys A7 开发板（XC7A35T），基于 Vivado 2023.1 工具链，构建一个能运行 RISC-V 汇编程序的完整 SoC。
系统架构总览
整个系统采用哈佛架构（分离指令与数据存储），关键模块如下：
+------------------+
Clock (MHz)
PC Reg Inst ROM (BRAM)
IF Stage
( instruction PC)
ID
Control Unit ← Opcode Decoder
RegFile Read ← rs1, rs2
EX
ALU Control ← funct3funct7
ALU Operation (subsltetc.)
MEM
Data Memory (Block RAM)
Handle lwsw
WB
Write Mux ← ALU MEM data
RegFile Write Enable
