P4_Verilog实现10指令单周期CPU

需求分析

实现10指令：add, sub, ori, lw, sw, beq, lui, jal, jr, nop

在8指令的基础上增量开发实现10指令，我们首先分析新增指令的功能

  • jal：将pc + 4写入31号寄存器 + 跳转到指定地址
  • jr ：从31号寄存器中读出 + 跳转到指定地址

思路分析

  • 由于jal要求写入31号寄存器，所以的RegAddr需要至少3种编码，也就是说RegDst至少需要2位，分别对应写入寄存器编号来自rt rd 和 31号

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    [1:0] RegDst               // RegDst == 2'b00   RegAddr是rt对应的寄存器 (默认)     
                               // RegDst == 2'b01   RegAddr是rd对应的寄存器            
                               // RegDst == 2'b10   RegAddr是31号寄存器

  • 同时要回写的内容WriteBack也要发生变化，WriteBack的取值有4种可能，所以WBSource至少需要2位，分别对应WriteBack来自ALU_ans，WD，imm_ext，和pc + 4

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    [1:0] WBSource            // WBSource == 2'b00   WriteBack = ALU_ans (默认)
                              // WBSource == 2'b01   WriteBack = WD 
                              // WBSource == 2'b10   WriteBack = imm_ext
                              // WBSource == 2'b11   WriteBack = pc + 4    

    /* 2'b01 对应 lw
       2'b10 对应 lui
       2'b11 对应 jal
    */

  • 接下来要实现的是跳转功能，输入IFU的32位shift可能有两种情况，分别是分支指令时的imm_ext和j指令时的jumpAddr。jumpAddr是pc要跳转到的地址，而imm_ext还要在IFU的npc模块里完成进一步的处理才能成为分支指令时的npc。

顶层电路

CO_P4_G1

CO_P4_G2

控制信号

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[1:0] RegDst               // RegDst == 2'b00   写入rt对应的寄存器 （默认）
                           // RegDst == 2'b01   写入rd对应的寄存器
                           // RegDst == 2'b10   写入31号寄存器

[1:0] ALUOp                // ALUOp == 2'b00  加法 （默认）
                           // ALUOp == 2'b01  减法
                           // ALUOp == 2'b10  与
                           // ALUOp == 2'b11  或

ALUSrc                     // ALUSrc == 0  来自GRF的第二个输出A2 （默认）
                           // ALUSrc == 1  来自imm_ext

[1:0] WBSource            // WBSource == 2'b00   WriteBack = ALU_ans (默认)
                          // WBSource == 2'b01   WriteBack = WD 
                          // WBSource == 2'b10   WriteBack = imm_ext
                          // WBSource == 2'b11   WriteBack = pc + 4  

[1:0] EXTOp               // EXTOp == 2'b00   对imm16进行zero_ext至32位 （默认）
                          // EXTOp == 2'b01   对imm16进行sign_ext至32位
                          // EXTOp == 2'b10   对imm16低16位补0至32位

add sub nop ori lw sw lui beq jal jr
[1:0] RegDst 01 01 00 00 00 00 00 00 10 00
Branch 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0
MemRead 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0
MemtoReg 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
[1:0] ALUOp 00 01 00 11 00 00 00 01 00 00
MemWrite 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
ALUSrc 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0
RegWrite 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0
isLui 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
isJal 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
isJr 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
jump 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

思考题

  • Q1：阅读下面给出的DM的输入示例中，根据你的理解回答，这个addr信号是从哪里来的？地址信号 addr位数为什么是[11:2]而不是[9:0] ？

    A1：addr是访存地址，来自于ALU的输出。在DM中数据按字储存，故需要将addr除以4。

  • Q2：在设计控制器时可以记录下指令对应的控制信号如何取值，也可以记录下控制信号每种取值所对应的指令。请分析两种做法各自的优劣。

    Q2：

    • 指令对应信号：优点是分析简单，只需要思考每条指令的数据通路即可获得控制信号取值；缺点是码量大，对于每个指令都要设置所有信号的取值。不够简洁。

    • 信号对应指令：优点是简洁清晰（为每个信号设置默认值为0，在当前指令需要改变信号值时再更改）；缺点是不够直观，容易出错。

  • Q3：在相应的部件中，复位信号的设计都是同步复位，这与 P3中的设计要求不同。请对比同步复位与异步复位这两种方式的 reset 信号与 clk 信号优先级的关系。

    A3：同步复位时clk优先级高于reset，只有在clk处于上升沿时才考虑reset信号。异步复位时reset优先级高于clk，只有reset为低电平时才考虑时钟变化带来的影响。

  • Q4：C 语言是一种弱类型程序设计语言。C 语言中不对计算结果溢出进行处理，这意味着 C 语言要求程序员必须很清楚计算结果是否会导致溢出。因此，如果仅仅支持 C 语言，MIPS 指令的所有计算指令均可以忽略溢出。 请说明为什么在忽略溢出的前提下，addi 与 addiu 是等价的，add 与 addu 是等价的。

    A4：这里通过add和addu来说明。addu的操作是简单的，我们考虑add的操作：

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    temp = (GPR[rs][31] || GPR[rs]) + (GPR[rt][31] || GPR[rt]) 
    if temp[32] ≠ temp[31] then 
        SignalException(IntegerOverflow) 
    else 
        GPR[rd] ← temp31..0 
    endif

    在上述操作中，我们将32位加数A1和A2符号拓展至33位，他们的和记为temp。temp的低32位事实上就是A1+A2在不考虑溢出时的的结果（因为有溢出时这个溢出会被向上进位至33位）。