第3章
RV32Iの実装

[project]
name = "core"
version = "0.1.0"

[build]
sourcemap_target = {type ="none"}

package eei {
    const XLEN: u32 = 32;
    const ILEN: u32 = 32;

    type UIntX  = logic<XLEN>;
    type UInt32 = logic<32>  ;
    type UInt64 = logic<64>  ;
    type Inst   = logic<ILEN>;
    type Addr   = logic<XLEN>;
}

interface membus_if::<DATA_WIDTH: const, ADDR_WIDTH: const> {
    var valid : logic            ;
    var ready : logic            ;
    var addr  : logic<ADDR_WIDTH>;
    var wen   : logic            ;
    var wdata : logic<DATA_WIDTH>;
    var rvalid: logic            ;
    var rdata : logic<DATA_WIDTH>;

    modport master {
        valid : output,
        ready : input ,
        addr  : output,
        wen   : output,
        wdata : output,
        rvalid: input ,
        rdata : input ,
    }

    modport slave {
        valid : input ,
        ready : output,
        addr  : input ,
        wen   : input ,
        wdata : input ,
        rvalid: output,
        rdata : output,
    }
}

module memory::<DATA_WIDTH: const, ADDR_WIDTH: const> #(
    param FILEPATH_IS_ENV: logic  = 0 , // FILEPATHが環境変数名かどうか
    param FILEPATH       : string = "", // メモリの初期化用ファイルのパス, または環境変数名
) (
    clk   : input   clock                                     ,
    rst   : input   reset                                     ,
    membus: modport membus_if::<DATA_WIDTH, ADDR_WIDTH>::slave,
) {
    type DataType = logic<DATA_WIDTH>;

    var mem: DataType [2 ** ADDR_WIDTH];

    initial {
        // memを初期化する
        if FILEPATH != "" {
            if FILEPATH_IS_ENV {
                $readmemh(util::get_env(FILEPATH), mem);
            } else {
                $readmemh(FILEPATH, mem);
            }
        }
    }

    always_comb {
        membus.ready = 1;
    }

    always_ff {
        if_reset {
            membus.rvalid = 0;
            membus.rdata  = 0;
        } else {
            membus.rvalid = membus.valid;
            membus.rdata  = mem[membus.addr[ADDR_WIDTH - 1:0]];
            if membus.valid && membus.wen {
                mem[membus.addr[ADDR_WIDTH - 1:0]] = membus.wdata;
            }
        }
    }
}

embed (inline) sv{{{
    package svutil;
        import "DPI-C" context function string get_env_value(input string key);
        function string get_env(input string name);
            return get_env_value(name);
        endfunction
    endpackage
}}}

package util {
    function get_env (
        name: input string,
    ) -> string {
        return $sv::svutil::get_env(name);
    }
}

    // メモリのデータ幅
    const MEM_DATA_WIDTH: u32 = 32;
    // メモリのアドレス幅
    const MEM_ADDR_WIDTH: u32 = 16;

import eei::*;

module top (
    clk: input clock,
    rst: input reset,
) {
    inst membus: membus_if::<MEM_DATA_WIDTH, MEM_ADDR_WIDTH>;

    inst mem: memory::<MEM_DATA_WIDTH, MEM_ADDR_WIDTH> #(
        FILEPATH_IS_ENV: 1                 ,
        FILEPATH       : "MEMORY_FILE_PATH",
    ) (
        clk     ,
        rst     ,
        membus  ,
    );
}

import eei::*;

module core (
    clk   : input   clock                          ,
    rst   : input   reset                          ,
    membus: modport membus_if::<ILEN, XLEN>::master,
) {

    var if_pc          : Addr ;
    var if_is_requested: logic; // フェッチ中かどうか
    var if_pc_requested: Addr ; // 要求したアドレス

    let if_pc_next: Addr = if_pc + 4;

    // 命令フェッチ処理
    always_comb {
        membus.valid = 1;
        membus.addr  = if_pc;
        membus.wen   = 0;
        membus.wdata = 'x; // wdataは使用しない
    }

    always_ff {
        if_reset {
            if_pc           = 0;
            if_is_requested = 0;
            if_pc_requested = 0;
        } else {
            if if_is_requested {
                if membus.rvalid {
                    if_is_requested = membus.ready && membus.valid;
                    if membus.ready && membus.valid {
                        if_pc           = if_pc_next;
                        if_pc_requested = if_pc;
                    }
                }
            } else {
                if membus.ready && membus.valid {
                    if_is_requested = 1;
                    if_pc           = if_pc_next;
                    if_pc_requested = if_pc;
                }
            }
        }
    }

    always_ff {
        if if_is_requested && membus.rvalid {
            $display("%h : %h", if_pc_requested, membus.rdata);
        }
    }
}

    // アドレスをメモリのデータ単位でのアドレスに変換する
    function addr_to_memaddr (
        addr: input logic<XLEN>          ,
    ) -> logic<MEM_ADDR_WIDTH> {
        return addr[$clog2(MEM_DATA_WIDTH / 8)+:MEM_ADDR_WIDTH];
    }

    inst membus     : membus_if::<MEM_DATA_WIDTH, MEM_ADDR_WIDTH>;
    inst membus_core: membus_if::<ILEN, XLEN>;

    always_comb {
        membus.valid      = membus_core.valid;
        membus_core.ready = membus.ready;
        // アドレスをデータ幅単位のアドレスに変換する
        membus.addr        = addr_to_memaddr(membus_core.addr);
        membus.wen         = 0; // 命令フェッチは常に読み込み
        membus.wdata       = 'x;
        membus_core.rvalid = membus.rvalid;
        membus_core.rdata  = membus.rdata;
    }

    inst c: core (
        clk                ,
        rst                ,
        membus: membus_core,
    );

#include <iostream>
#include <filesystem>
#include <stdlib.h>
#include <verilated.h>
#include "Vcore_top.h"

namespace fs = std::filesystem;

extern "C" const char* get_env_value(const char* key) {
    const char* value = getenv(key);
    if (value == nullptr)
        return "";
    return value;
}

int main(int argc, char** argv) {
    Verilated::commandArgs(argc, argv);

    if (argc < 2) {
        std::cout << "Usage: " << argv[0] << " MEMORY_FILE_PATH [CYCLE]" << std::endl;
        return 1;
    }

    // メモリの初期値を格納しているファイル名
    std::string memory_file_path = argv[1];
    try {
        // 絶対パスに変換する
        fs::path absolutePath = fs::absolute(memory_file_path);
        memory_file_path = absolutePath.string();
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Invalid memory file path : " << e.what() << std::endl;
        return 1;
    }

    // シミュレーションを実行するクロックサイクル数
    unsigned long long cycles = 0;
    if (argc >= 3) {
        std::string cycles_string = argv[2];
        try {
            cycles = stoull(cycles_string);
        } catch (const std::exception& e) {
            std::cerr << "Invalid number: " << argv[2] << std::endl;
            return 1;
        }
    }

    // 環境変数でメモリの初期化用ファイルを指定する
    const char* original_env = getenv("MEMORY_FILE_PATH");
    setenv("MEMORY_FILE_PATH", memory_file_path.c_str(), 1);

    // top
    Vcore_top *dut = new Vcore_top();

    // reset
    dut->clk = 0;
    dut->rst = 1;
    dut->eval();
    dut->rst = 0;
    dut->eval();

    // 環境変数を元に戻す
    if (original_env != nullptr){
        setenv("MEMORY_FILE_PATH", original_env, 1);
    }

    // loop
    dut->rst = 1;
    for (long long i=0; !Verilated::gotFinish() && (cycles == 0 || i / 2 < cycles); i++) {
        dut->clk = !dut->clk;
        dut->eval();
    }

    dut->final();
}

01234567
89abcdef
deadbeef
cafebebe
← 必ず末尾に改行をいれてください

PROJECT = core
FILELIST = $(PROJECT).f

TOP_MODULE = top
TB_PROGRAM = src/tb_verilator.cpp
OBJ_DIR = obj_dir/
SIM_NAME = sim
VERILATOR_FLAGS = ""

build:
        veryl fmt
        veryl build

clean:
        veryl clean
        rm -rf $(OBJ_DIR)

sim:
        verilator --cc $(VERILATOR_FLAGS) -f $(FILELIST) --exe $(TB_PROGRAM) --top-module $(PROJECT)_$(TOP_MODULE) --Mdir $(OBJ_DIR)
        make -C $(OBJ_DIR) -f V$(PROJECT)_$(TOP_MODULE).mk
        mv $(OBJ_DIR)/V$(PROJECT)_$(TOP_MODULE) $(OBJ_DIR)/$(SIM_NAME)

.PHONY: build clean sim

module fifo #(
    param DATA_TYPE: type = logic,
    param WIDTH    : u32  = 2    ,
) (
    clk   : input  clock    ,
    rst   : input  reset    ,
    wready: output logic    ,
    wvalid: input  logic    ,
    wdata : input  DATA_TYPE,
    rready: input  logic    ,
    rvalid: output logic    ,
    rdata : output DATA_TYPE,
) {
    type Ptr = logic<WIDTH>;

    var mem : DATA_TYPE [2 ** WIDTH];
    var head: Ptr                   ;
    var tail: Ptr                   ;

    let tail_plus1: Ptr = tail + 1 as Ptr;
    let tail_plus2: Ptr = tail + 2 as Ptr;

    always_comb {
        rvalid = head != tail;
        rdata  = mem[head];
    }

    assign wready = if WIDTH == 1 {
        head == tail || rready
    } else {
        tail_plus1 != head
    };

    // 2つ以上空きがあるかどうか
    let wready_two: logic = wready && tail_plus2 != head;

    always_ff {
        if_reset {
            head = 0;
            tail = 0;
        } else {
            if wready && wvalid {
                mem[tail] = wdata;
                tail      = tail + 1;
            }
            if rready && rvalid {
                head = head + 1;
            }
        }
    }
}

    // ifのFIFOのデータ型
    struct if_fifo_type {
        addr: Addr,
        bits: Inst,
    }

    // FIFOの制御用レジスタ
    var if_fifo_wready: logic       ;
    var if_fifo_wvalid: logic       ;
    var if_fifo_wdata : if_fifo_type;
    var if_fifo_rready: logic       ;
    var if_fifo_rvalid: logic       ;
    var if_fifo_rdata : if_fifo_type;

    // フェッチした命令を格納するFIFO
    inst if_fifo: fifo #(
        DATA_TYPE: if_fifo_type,
        WIDTH    : 3           ,
    ) (
        clk                   ,
        rst                   ,
        wready: if_fifo_wready,
        wvalid: if_fifo_wvalid,
        wdata : if_fifo_wdata ,
        rready: if_fifo_rready,
        rvalid: if_fifo_rvalid,
        rdata : if_fifo_rdata ,
    );

    // 命令フェッチ処理
    always_comb {
        // FIFOに2個以上空きがあるとき、命令をフェッチする
        membus.valid = if_fifo.wready_two;
        membus.addr  = if_pc;
        membus.wen   = 0;
        membus.wdata = 'x; // wdataは使用しない

        // 常にFIFOから命令を受け取る
        if_fifo_rready = 1;
    }

    // IFのFIFOの制御
    if if_is_requested && membus.rvalid { ← フェッチできた時
        if_fifo_wvalid     = 1;
        if_fifo_wdata.addr = if_pc_requested;
        if_fifo_wdata.bits = membus.rdata;
    } else {
        if if_fifo_wvalid && if_fifo_wready { ← FIFOにデータを格納できる時
            if_fifo_wvalid = 0;
        }
    }

    if_reset {
        if_pc           = 0;
        if_is_requested = 0;
        if_pc_requested = 0;
        if_fifo_wvalid  = 0;
        if_fifo_wdata   = 0;
    } else {

    let inst_pc  : Addr = if_fifo_rdata.addr;
    let inst_bits: Inst = if_fifo_rdata.bits;

    always_ff {
        if if_fifo_rvalid {
            $display("%h : %h", inst_pc, inst_bits);
        }
    }

import eei::*;

package corectrl {
    // 命令形式を表す列挙型
    enum InstType: logic<6> {
        X = 6'b000000,
        R = 6'b000001,
        I = 6'b000010,
        S = 6'b000100,
        B = 6'b001000,
        U = 6'b010000,
        J = 6'b100000,
    }

    // 制御に使うフラグ用の構造体
    struct InstCtrl {
        itype   : InstType   , // 命令の形式
        rwb_en  : logic      , // レジスタに書き込むかどうか
        is_lui  : logic      , // LUI命令である
        is_aluop: logic      , // ALUを利用する命令である
        is_jump : logic      , // ジャンプ命令である
        is_load : logic      , // ロード命令である
        funct3  : logic   <3>, // 命令のfunct3フィールド
        funct7  : logic   <7>, // 命令のfunct7フィールド
    }
}

    // opcode
    const OP_LUI   : logic<7> = 7'b0110111;
    const OP_AUIPC : logic<7> = 7'b0010111;
    const OP_OP    : logic<7> = 7'b0110011;
    const OP_OP_IMM: logic<7> = 7'b0010011;
    const OP_JAL   : logic<7> = 7'b1101111;
    const OP_JALR  : logic<7> = 7'b1100111;
    const OP_BRANCH: logic<7> = 7'b1100011;
    const OP_LOAD  : logic<7> = 7'b0000011;
    const OP_STORE : logic<7> = 7'b0100011;

import eei::*;
import corectrl::*;

module inst_decoder (
    bits: input  Inst    ,
    ctrl: output InstCtrl,
    imm : output UIntX   ,
) {
    // 即値の生成
    let imm_i_g: logic<12> = bits[31:20];
    let imm_s_g: logic<12> = {bits[31:25], bits[11:7]};
    let imm_b_g: logic<12> = {bits[31], bits[7], bits[30:25], bits[11:8]};
    let imm_u_g: logic<20> = bits[31:12];
    let imm_j_g: logic<20> = {bits[31], bits[19:12], bits[20], bits[30:21]};

    let imm_i: UIntX = {bits[31] repeat XLEN - $bits(imm_i_g), imm_i_g};
    let imm_s: UIntX = {bits[31] repeat XLEN - $bits(imm_s_g), imm_s_g};
    let imm_b: UIntX = {bits[31] repeat XLEN - $bits(imm_b_g) - 1, imm_b_g, 1'b0};
    let imm_u: UIntX = {bits[31] repeat XLEN - $bits(imm_u_g) - 12, imm_u_g, 12'b0};
    let imm_j: UIntX = {bits[31] repeat XLEN - $bits(imm_j_g) - 1, imm_j_g, 1'b0};

    let op: logic<7> = bits[6:0];
    let f7: logic<7> = bits[31:25];
    let f3: logic<3> = bits[14:12];

    const T: logic = 1'b1;
    const F: logic = 1'b0;

    always_comb {
        imm = case op {
            OP_LUI, OP_AUIPC: imm_u,
            OP_JAL          : imm_j,
            OP_JALR, OP_LOAD: imm_i,
            OP_OP_IMM       : imm_i,
            OP_BRANCH       : imm_b,
            OP_STORE        : imm_s,
            default         : 'x,
        };
        ctrl = {case op {
            OP_LUI   : {InstType::U, T, T, F, F, F},
            OP_AUIPC : {InstType::U, T, F, F, F, F},
            OP_JAL   : {InstType::J, T, F, F, T, F},
            OP_JALR  : {InstType::I, T, F, F, T, F},
            OP_BRANCH: {InstType::B, F, F, F, F, F},
            OP_LOAD  : {InstType::I, T, F, F, F, T},
            OP_STORE : {InstType::S, F, F, F, F, F},
            OP_OP    : {InstType::R, T, F, T, F, F},
            OP_OP_IMM: {InstType::I, T, F, T, F, F},
            default  : {InstType::X, F, F, F, F, F},
        }, f3, f7};
    }
}

    let inst_pc  : Addr     = if_fifo_rdata.addr;
    let inst_bits: Inst     = if_fifo_rdata.bits;
    var inst_ctrl: InstCtrl;
    var inst_imm : UIntX   ;

    inst decoder: inst_decoder (
        bits: inst_bits,
        ctrl: inst_ctrl,
        imm : inst_imm ,
    );

    always_ff {
        if if_fifo_rvalid {
            $display("%h : %h", inst_pc, inst_bits);
            $display("  itype   : %b", inst_ctrl.itype);
            $display("  imm     : %h", inst_imm);
        }
    }

    // レジスタ
    var regfile: UIntX<32>;

    // レジスタ番号
    let rs1_addr: logic<5> = inst_bits[19:15];
    let rs2_addr: logic<5> = inst_bits[24:20];

    // ソースレジスタのデータ
    let rs1_data: UIntX = if rs1_addr == 0 {
        0
    } else {
        regfile[rs1_addr]
    };
    let rs2_data: UIntX = if rs2_addr == 0 {
        0
    } else {
        regfile[rs2_addr]
    };

    always_ff {
        if if_fifo_rvalid {
            $display("%h : %h", inst_pc, inst_bits);
            $display("  itype   : %b", inst_ctrl.itype);
            $display("  imm     : %h", inst_imm);
            $display("  rs1[%d] : %h", rs1_addr, rs1_data);
            $display("  rs2[%d] : %h", rs2_addr, rs2_data);
        }
    }

    // レジスタの初期化
    always_ff {
        if_reset {
            for i: i32 in 0..32 {
                regfile[i] = i + 100;
            }
        }
    }

    type SIntX  = signed logic<XLEN>;
    type SInt32 = signed logic<32>  ;
    type SInt64 = signed logic<64>  ;

import eei::*;
import corectrl::*;

module alu (
    ctrl  : input  InstCtrl,
    op1   : input  UIntX   ,
    op2   : input  UIntX   ,
    result: output UIntX   ,
) {
    let add: UIntX = op1 + op2;
    let sub: UIntX = op1 - op2;

    let sll: UIntX = op1 << op2[4:0];
    let srl: UIntX = op1 >> op2[4:0];
    let sra: SIntX = $signed(op1) >>> op2[4:0];

    let slt : UIntX = {1'b0 repeat XLEN - 1, $signed(op1) <: $signed(op2)};
    let sltu: UIntX = {1'b0 repeat XLEN - 1, op1 <: op2};

    always_comb {
        if ctrl.is_aluop {
            case ctrl.funct3 {
                3'b000: result = if ctrl.itype == InstType::I | ctrl.funct7 == 0 {
                    add
                } else {
                    sub
                };
                3'b001: result = sll;
                3'b010: result = slt;
                3'b011: result = sltu;
                3'b100: result = op1 ^ op2;
                3'b101: result = if ctrl.funct7 == 0 {
                    srl
                } else {
                    sra
                };
                3'b110 : result = op1 | op2;
                3'b111 : result = op1 & op2;
                default: result = 'x;
            }
        } else {
            result = add;
        }
    }
}

    // ALU
    var op1       : UIntX;
    var op2       : UIntX;
    var alu_result: UIntX;

    always_comb {
        case inst_ctrl.itype {
            InstType::R, InstType::B: {
                                          op1 = rs1_data;
                                          op2 = rs2_data;
                                      }
            InstType::I, InstType::S: {
                                          op1 = rs1_data;
                                          op2 = inst_imm;
                                      }
            InstType::U, InstType::J: {
                                          op1 = inst_pc;
                                          op2 = inst_imm;
                                      }
            default: {
                         op1 = 'x;
                         op2 = 'x;
                     }
        }
    }

    inst alum: alu (
        ctrl  : inst_ctrl ,
        op1               ,
        op2               ,
        result: alu_result,
    );

    always_ff {
        if if_fifo_rvalid {
            $display("%h : %h", inst_pc, inst_bits);
            $display("  itype   : %b", inst_ctrl.itype);
            $display("  imm     : %h", inst_imm);
            $display("  rs1[%d] : %h", rs1_addr, rs1_data);
            $display("  rs2[%d] : %h", rs2_addr, rs2_data);
            $display("  op1     : %h", op1);
            $display("  op2     : %h", op2);
            $display("  alu res : %h", alu_result);
        }
    }

02000093 // addi x1, x0, 32
00100117 // auipc x2, 256
002081b3 // add x3, x1, x2

    let rd_addr: logic<5> = inst_bits[11:7];
    let wb_data: UIntX    = if inst_ctrl.is_lui {
        inst_imm
    } else {
        alu_result
    };

    always_ff {
        if_reset {
            for i: i32 in 0..32 {
                regfile[i] = i + 100;
            }
        } else {
            if if_fifo_rvalid && inst_ctrl.rwb_en {
                regfile[rd_addr] = wb_data;
            }
        }
    }

    if inst_ctrl.rwb_en {
        $display("  reg[%d] <= %h", rd_addr, wb_data);
    }

    always_ff {
        if if_fifo_rvalid && inst_ctrl.rwb_en {
            regfile[rd_addr] = wb_data;
        }
    }

import eei::*;
import corectrl::*;

module memunit (
    clk   : input   clock                                    ,
    rst   : input   reset                                    ,
    valid : input   logic                                    ,
    is_new: input   logic                                    , // 命令が新しく供給されたかどうか
    ctrl  : input   InstCtrl                                 , // 命令のInstCtrl
    addr  : input   Addr                                     , // アクセスするアドレス
    rs2   : input   UIntX                                    , // ストア命令で書き込むデータ
    rdata : output  UIntX                                    , // ロード命令の結果 (stall = 0のときに有効)
    stall : output  logic                                    , // メモリアクセス命令が完了していない
    membus: modport membus_if::<MEM_DATA_WIDTH, XLEN>::master, // メモリとのinterface
) {

    // 命令がメモリにアクセスする命令か判別する関数
    function inst_is_memop (
        ctrl: input InstCtrl,
    ) -> logic    {
        return ctrl.itype == InstType::S || ctrl.is_load;
    }

    // 命令がストア命令か判別する関数
    function inst_is_store (
        ctrl: input InstCtrl,
    ) -> logic    {
        return inst_is_memop(ctrl) && !ctrl.is_load;
    }

    // memunitの状態を表す列挙型
    enum State: logic<2> {
        Init, // 命令を受け付ける状態
        WaitReady, // メモリが操作可能になるのを待つ状態
        WaitValid, // メモリ操作が終了するのを待つ状態
    }

    var state: State;

    var req_wen  : logic                ;
    var req_addr : Addr                 ;
    var req_wdata: logic<MEM_DATA_WIDTH>;

    always_comb {
        // メモリアクセス
        membus.valid = state == State::WaitReady;
        membus.addr  = req_addr;
        membus.wen   = req_wen;
        membus.wdata = req_wdata;
        // loadの結果
        rdata = membus.rdata;
        // stall判定
        stall = valid & case state {
            State::Init     : is_new && inst_is_memop(ctrl),
            State::WaitReady: 1,
            State::WaitValid: !membus.rvalid,
            default         : 0,
        };
    }

    always_ff {
        if_reset {
            state     = State::Init;
            req_wen   = 0;
            req_addr  = 0;
            req_wdata = 0;
        } else {
            if valid {
                case state {
                    State::Init: if is_new & inst_is_memop(ctrl) {
                        state     = State::WaitReady;
                        req_wen   = inst_is_store(ctrl);
                        req_addr  = addr;
                        req_wdata = rs2;
                    }
                    State::WaitReady: if membus.ready {
                        state = State::WaitValid;
                    }
                    State::WaitValid: if membus.rvalid {
                        state = State::Init;
                    }
                    default: {}
                }
            }
        }
    }
}

    let inst_valid : logic    = if_fifo_rvalid;
    var inst_is_new: logic   ; // 命令が現在のクロックで供給されたかどうか

    always_ff {
        if_reset {
            inst_is_new = 0;
        } else {
            if if_fifo_rvalid {
                inst_is_new = if_fifo_rready;
            } else {
                inst_is_new = 1;
            }
        }
    }

module core (
    clk     : input   clock                                    ,
    rst     : input   reset                                    ,
    i_membus: modport membus_if::<ILEN, XLEN>::master          ,
    d_membus: modport membus_if::<MEM_DATA_WIDTH, XLEN>::master,
) {

    // FIFOに2個以上空きがあるとき、命令をフェッチする
    i_membus.valid = if_fifo.wready_two;
    i_membus.addr  = if_pc;
    i_membus.wen   = 0;
    i_membus.wdata = 'x; // wdataは使用しない

    inst membus  : membus_if::<MEM_DATA_WIDTH, MEM_ADDR_WIDTH>;
    inst i_membus: membus_if::<ILEN, XLEN>; // 命令フェッチ用
    inst d_membus: membus_if::<MEM_DATA_WIDTH, XLEN>; // ロードストア命令用

    var memarb_last_i: logic;

    // メモリアクセスを調停する
    always_ff {
        if_reset {
            memarb_last_i = 0;
        } else {
            if membus.ready {
                memarb_last_i = !d_membus.valid;
            }
        }
    }

    always_comb {
        i_membus.ready  = membus.ready && !d_membus.valid;
        i_membus.rvalid = membus.rvalid && memarb_last_i;
        i_membus.rdata  = membus.rdata;

        d_membus.ready  = membus.ready;
        d_membus.rvalid = membus.rvalid && !memarb_last_i;
        d_membus.rdata  = membus.rdata;

        membus.valid = i_membus.valid | d_membus.valid;
        if d_membus.valid {
            membus.addr  = addr_to_memaddr(d_membus.addr);
            membus.wen   = d_membus.wen;
            membus.wdata = d_membus.wdata;
        } else {
            membus.addr  = addr_to_memaddr(i_membus.addr);
            membus.wen   = 0; // 命令フェッチは常に読み込み
            membus.wdata = 'x;
        }
    }

    inst c: core (
        clk       ,
        rst       ,
        i_membus  ,
        d_membus  ,
    );

    var memu_rdata: UIntX;
    var memu_stall: logic;

    inst memu: memunit (
        clk                ,
        rst                ,
        valid : inst_valid ,
        is_new: inst_is_new,
        ctrl  : inst_ctrl  ,
        addr  : alu_result ,
        rs2   : rs2_data   ,
        rdata : memu_rdata ,
        stall : memu_stall ,
        membus: d_membus   ,
    );

    // memunitが処理中ではないとき、FIFOから命令を取り出していい
    if_fifo_rready = !memu_stall;

    let rd_addr: logic<5> = inst_bits[11:7];
    let wb_data: UIntX    = if inst_ctrl.is_lui {
        inst_imm
    } else if inst_ctrl.is_load {
        memu_rdata
    } else {
        alu_result
    };

    always_ff {
        if inst_valid && if_fifo_rready && inst_ctrl.rwb_en {
            regfile[rd_addr] = wb_data;
        }
    }

    if if_fifo_rready && inst_ctrl.rwb_en {
        $display("  reg[%d] <= %h", rd_addr, wb_data);
    }

    $display("  mem stall : %b", memu_stall);
    $display("  mem rdata : %h", memu_rdata);

    var clock_count: u64;

    always_ff {
        if_reset {
            clock_count = 1;
        } else {
            clock_count = clock_count + 1;
            if inst_valid {
                $display("# %d", clock_count);
                $display("%h : %h", inst_pc, inst_bits);
                $display("  itype     : %b", inst_ctrl.itype);

02002503 // lw x10, 0x20(x0)
40000593 // addi x11, x0, 0x400
02b02023 // sw x11, 0x20(x0)
02002603 // lw x12, 0x20(x0)
00000000
00000000
00000000
00000000
deadbeef // 0x20

    const W   : u32                   = XLEN;
    let D   : logic<MEM_DATA_WIDTH> = membus.rdata;
    let sext: logic                 = ctrl.funct3[2] == 1'b0;

    // loadの結果
    rdata = case ctrl.funct3[1:0] {
        2'b00  : case addr[1:0] {
            0      : {sext & D[7] repeat W - 8, D[7:0]},
            1      : {sext & D[15] repeat W - 8, D[15:8]},
            2      : {sext & D[23] repeat W - 8, D[23:16]},
            3      : {sext & D[31] repeat W - 8, D[31:24]},
            default: 'x,
        },
        2'b01  : case addr[1:0] {
            0      : {sext & D[15] repeat W - 16, D[15:0]},
            2      : {sext & D[31] repeat W - 16, D[31:16]},
            default: 'x,
        },
        2'b10  : D,
        default: 'x,
    };

    var wmask : logic<DATA_WIDTH / 8>;

    modport master {
        ...
        wmask : output,
        ...
    }

    modport slave {
        ...
        wmask : input ,
        ...
    }

module memory::<DATA_WIDTH: const, ADDR_WIDTH: const> #(
    param FILEPATH_IS_ENV: logic  = 0 , // FILEPATHが環境変数名かどうか
    param FILEPATH       : string = "", // メモリの初期化用ファイルのパス, または環境変数名
) (
    clk   : input   clock                                     ,
    rst   : input   reset                                     ,
    membus: modport membus_if::<DATA_WIDTH, ADDR_WIDTH>::slave,
) {
    type DataType = logic<DATA_WIDTH>    ;
    type MaskType = logic<DATA_WIDTH / 8>;

    var mem: DataType [2 ** ADDR_WIDTH];

    // 書き込みマスクをDATA_WIDTHに展開した値
    var wmask_expand: DataType;
    always_comb {
        for i: u32 in 0..DATA_WIDTH {
            wmask_expand[i] = wmask_saved[i / 8];
        }
    }

    initial {
        // memを初期化する
        if FILEPATH != "" {
            if FILEPATH_IS_ENV {
                $readmemh(util::get_env(FILEPATH), mem);
            } else {
                $readmemh(FILEPATH, mem);
            }
        }
    }

    // 状態
    enum State {
        Ready,
        WriteValid,
    }
    var state: State;

    var addr_saved : logic   <ADDR_WIDTH>;
    var wdata_saved: DataType            ;
    var wmask_saved: MaskType            ;
    var rdata_saved: DataType            ;

    always_comb {
        membus.ready = state == State::Ready;
    }

    always_ff {
        if state == State::WriteValid {
            mem[addr_saved[ADDR_WIDTH - 1:0]] = wdata_saved & wmask_expand | rdata_saved & ~wmask_expand;
        }
    }

    always_ff {
        if_reset {
            state         = State::Ready;
            membus.rvalid = 0;
            membus.rdata  = 0;
            addr_saved    = 0;
            wdata_saved   = 0;
            wmask_saved   = 0;
            rdata_saved   = 0;
        } else {
            case state {
                State::Ready: {
                                  membus.rvalid = membus.valid & !membus.wen;
                                  membus.rdata  = mem[membus.addr[ADDR_WIDTH - 1:0]];
                                  addr_saved    = membus.addr[ADDR_WIDTH - 1:0];
                                  wdata_saved   = membus.wdata;
                                  wmask_saved   = membus.wmask;
                                  rdata_saved   = mem[membus.addr[ADDR_WIDTH - 1:0]];
                                  if membus.valid && membus.wen {
                                      state = State::WriteValid;
                                  }
                              }
                State::WriteValid: {
                                       state         = State::Ready;
                                       membus.rvalid = 1;
                                   }
            }
        }
    }
}

    membus.valid = i_membus.valid | d_membus.valid;
    if d_membus.valid {
        membus.addr  = addr_to_memaddr(d_membus.addr);
        membus.wen   = d_membus.wen;
        membus.wdata = d_membus.wdata;
        membus.wmask = d_membus.wmask;
    } else {
        membus.addr  = addr_to_memaddr(i_membus.addr);
        membus.wen   = 0; // 命令フェッチは常に読み込み
        membus.wdata = 'x;
        membus.wmask = 'x;
    }

    var req_wmask: logic<MEM_DATA_WIDTH / 8>;

    // メモリアクセス
    membus.valid = state == State::WaitReady;
    membus.addr  = req_addr;
    membus.wen   = req_wen;
    membus.wdata = req_wdata;
    membus.wmask = req_wmask;

    if_reset {
        state     = State::Init;
        req_wen   = 0;
        req_addr  = 0;
        req_wdata = 0;
        req_wmask = 0;
    } else {

    req_wmask = case ctrl.funct3[1:0] {
        2'b00  : 4'b1 << addr[1:0], ← SB命令のとき、アドレス下位2ビット分だけ1を左シフトする
        2'b01  : case addr[1:0] { ← SH命令のとき
            2      : 4'b1100, ← 上位2バイトに書き込む
            0      : 4'b0011, ← 下位2バイトに書き込む
            default: 'x,
        },
        2'b10  : 4'b1111, ← SW命令のとき、全体に書き込む
        default: 'x,
    };

02000083 // lb x1, 0x20(x0)  : x1 = ffffffef
02104083 // lbu x1, 0x21(x0) : x1 = 000000be
02201083 // lh x1, 0x22(x0)  : x1 = ffffdead
02205083 // lhu x1, 0x22(x0) : x1 = 0000dead
00000000
00000000
00000000
00000000
deadbeef // 0x0

12300093 // addi x1, x0, 0x123
02101023 // sh x1, 0x20(x0)
02100123 // sb x1, 0x22(x0)
02200103 // lb x2, 0x22(x0) : x2 = 00000023
02001183 // lh x3, 0x20(x0) : x3 = 00000123

    let wb_data: UIntX    = if inst_ctrl.is_lui {
        inst_imm
    } else if inst_ctrl.is_jump {
        inst_pc + 4
    } else if inst_ctrl.is_load {
        memu_rdata
    } else {
        alu_result
    };

    var control_hazard        : logic;
    var control_hazard_pc_next: Addr ;

    assign control_hazard         = inst_valid && inst_ctrl.is_jump;
    assign control_hazard_pc_next = alu_result;

    always_ff {
        if_reset {
            ...
        } else {
            if control_hazard {
                if_pc           = control_hazard_pc_next;
                if_is_requested = 0;
                if_fifo_wvalid  = 0;
            } else {
                if if_is_requested {
                    ...
                }
                // IFのFIFOの制御
                if if_is_requested && i_membus.rvalid {
                    ...
                }
            }
        }
    }

module fifo #(
    param DATA_TYPE: type = logic,
    param WIDTH    : u32  = 2    ,
) (
    clk   : input  clock    ,
    rst   : input  reset    ,
    flush : input  logic    ,
    wready: output logic    ,

    always_ff {
        if_reset {
            head = 0;
            tail = 0;
        } else {
            if flush {
                head = 0;
                tail = 0;
            } else {
                if wready && wvalid {
                    mem[tail] = wdata;
                    tail      = tail + 1;
                }
                if rready && rvalid {
                    head = head + 1;
                }
            }
        }
    }

    inst if_fifo: fifo #(
        DATA_TYPE: if_fifo_type,
        WIDTH    : 3           ,
    ) (
        clk                   ,
        rst                   ,
        flush : control_hazard,
        ...
    );

0100006f //  0: jal x0, 0x10 : 0x10にジャンプする
deadbeef //  4:
deadbeef //  8:
deadbeef //  c:
01800093 // 10: addi x1, x0, 0x18
00808067 // 14: jalr x0, 8(x1) : x1+8=0x20にジャンプする
deadbeef // 18:
deadbeef // 1c:
fe1ff06f // 20: jal x0, -0x20 : 0にジャンプする

import eei::*;
import corectrl::*;

module brunit (
    funct3: input  logic<3>,
    op1   : input  UIntX   ,
    op2   : input  UIntX   ,
    take  : output logic   , // 分岐が成立するか否か
) {
    let beq : logic = op1 == op2;
    let blt : logic = $signed(op1) <: $signed(op2);
    let bltu: logic = op1 <: op2;

    always_comb {
        case funct3 {
            3'b000 : take = beq;
            3'b001 : take = !beq;
            3'b100 : take = blt;
            3'b101 : take = !blt;
            3'b110 : take = bltu;
            3'b111 : take = !bltu;
            default: take = 0;
        }
    }
}

    var brunit_take: logic;

    inst bru: brunit (
        funct3: inst_ctrl.funct3,
        op1                     ,
        op2                     ,
        take  : brunit_take     ,
    );

    // 命令が分岐命令かどうかを判定する
    function inst_is_br (
        ctrl: input InstCtrl,
    ) -> logic    {
        return ctrl.itype == InstType::B;
    }

    assign control_hazard         = inst_valid && (inst_ctrl.is_jump || inst_is_br(inst_ctrl) && brunit_take);
    assign control_hazard_pc_next = if inst_is_br(inst_ctrl) {
        inst_pc + inst_imm
    } else {
        alu_result
    };

    if inst_is_br(inst_ctrl) {
        $display("  br take   : %b", brunit_take);
    }

00100093 //  0: addi x1, x0, 1
10100063 //  4: beq x0, x1, 0x100
00101863 //  8: bne x0, x1, 0x10
deadbeef //  c:
deadbeef // 10:
deadbeef // 14:
0000d063 // 18: bge x1, x0, 0