BUAA_CO_P5习题分析

增添指令

注意事项：

• 注意必须在每一级的WriteBack和RegAddr检查回写的内容和地址是否符合新增指令的期望，防止在上游产生的正确回写数据在下游被覆盖！
• 注意务必为新增指令添加阻塞板块Tuse Tnew的取值。
• 由于特判信号是随着指令在流水线中流动的，所以其后也要加_DEin这样的后缀。
• 注意默认拓展是0拓展，要进行符号拓展需要将新增指令的特判信号传入EXTOp。

运算类

(1) 运算 + 判断 + 回写（地址确定）

P4T1添加指令为 eam，R型指令。具体操作为，取出 GPR[rs] 的低16位，作为一个有符号数对17取模，结果必须为0~16的某一个非负数，结果为一个16位的数。之后，若 GPR[rt] 的最高位为1，则将该运算结果零扩展至32位，否则将该运算结果一扩展至32位。将结果存至 GPR[rd] 中。

/* 整体分析：
该题对GRF[rs]取值计算，根据GRF[rt]的最高位决定回写内容，存于固定地址
根据尽早产生数据的原则，我们希望利用D级内的组合逻辑得到正确的要回写的结果。*/

controller
wire eam = (opcode_DEin == 6'b0 && func_DEin == 6'b111110) ? 1 : 0;
/* 修改控制信号 */
RegWrite_DEin = (eam || ...) ? 1 : 0;
RegDst_DEin = (eam || ...) ? 2'b01 : ...        // 写入rd寄存器
/* 生成特判信号 */
wire isEam_DEin = (eam) ? 1 : 0;

hazardStall
wire eam = (opcode_DEin == 6'b0 && func_DEin == 6'b111110) ? 1 : 0;
Tuse_RS = (eam || ...) ? 0 : ...    
Tuse_RT = (eam || ...) ? 0 : ...                // 在D级即需要使用
Tnew_DEin = (eam || ...) ? 1 : ...              // 在D级产生结果

mips
wire [15:0] eam_low16 = A1_DEin[15:0];
wire [15:0] eam_ans16 = (($signed(eam_low16) % $signed(16'd17)) + $signed(16'd17)) % $signed(16'd17);
wire [31:0] eam_ans32 = (A2_DEin[31] == 1) ? {16'b0, eam_ans16} : {16'b1, eam_ans16};
assign WriteBack_DEin = (isEam_DEin == 1) ? eam_ans32 : ...
    
/* 注意还要修改下游两级的WriteBack */
assign WriteBack_EMin = (isEam_DEout === 1) ? WriteBack_DEout : ...
assign WriteBack_MWin = (MemtoReg_EMout == 1) ? WD : WriteBack_EMout;           // 这一句不用修改

/* 由于回写地址是确定的，我们无需额外担心该指令结果转发的正确性 */

（2）计算 + 回写

P5T1的指令为addoi，行为是将16位立即数符号拓展或加上GRF[rs]，将这个加和的相反数的原码存入rt

/* 整体分析： 该指令行为类似于addi，注意要将imm16做符号拓展 */

controller
wire addoi = (opcode_DEin == 6'b111110) ? 1 : 0;
/* 修改控制信号 */
RegWrite_DEin = (addoi || ...) ? 1 : 0;
ALUSrc_DEin = (addoi || ...) ? 1 : 0;
/*生成特判信号 */
wire isAddoi = (addoi) ? 1 : 0;

HazardStall
wire addoi = (opcode_DEin == 6'b111110) ? 1 : 0;
Tuse_RS = (addoi || ...) ? 1 : ...                 // 在E级使用rs
Tuse_RT = (addoi || ...) ? `maxTuse : ...          // 用不到rt 
Tnew_DEin = (addoi || ...) ? 2 : ...               // 在E级产生新数据

module origin(
    // 计算A_in的原码
    input [31:0] A_in;
    output [31:0] A_out;
);
reg [31:0] hold;
reg [31:0] temp;
integer i;

always@(*) begin
    if (A_in > 32'h0) begin
        hold = A_in;
    end
    else if (A_in < 32'h0) begin
        temp = A_in - 32'h1;
        for (i = 0; i < 31; i = i + 1) begin
            hold[i] = !temp[i];
        end
        hold[31] = 1;
    end
    else begin
        hold = 32'h0;
    end
end
    assign A_out = hold;
endmodule

mips
wire [31:0] addoi_neg = 32'h0 - ALU_ans;
wire [31:0] addoi_ans;       // 32位原码

assign WriteBack_EMin = (isAddoi) ? addoi_ans : ...

跳转类

（1）判断 + 回写（地址不确定） + 跳转

P4T2添加指令为 cptl，I型指令（注意，这个不是J型指令，跳转方式和beq类似）。具体操作为，若 GPR[rs] 的低18位的二进制表示中存在连续6个1，则将PC+8存于 GPR[rt] 中，否则将PC+8存于 GPR[31] 中。之后，把PC的值无条件修改为PC + 4 + {sign_ext}(offset<<2 || 0^2)。

/* 整体分析
这条指令类似于beq 区别在于cptl是要回写的，且回写地址不确定
同样根据尽早产生计算结果的原则，我们希望在D级就得到要回写的数据和地址
*/
controller
wire cptl = (Opcode_DEin == 6'b111110) ? 1 : 0;

/* 修改控制信号 */
RegWrtie_DEin = (cptl || ...) ? 1 : 0;
RegDst_DEin = (cptl || ...) ? 2'b10 : ...          // 默认写入31号寄存器
Branch_DEin = (cptl || ...) ? 1 : 0;
Zero_DEin = (cptl || ...) ? 1 : 0;                 // 总是会跳转

/* 生成特判信号 */
wire isCptl_DEin = (cptl) ? 1 : 0;


hazardStall 
wire cptl = (Opcode_DEin == 6'b111110) ? 1 : 0;
Tuse_RS = (cptl || ...) ? 0 : ...                  // 在D级用到rs数据
Tuse_RT = (cptl || ...) ? `maxTuse : ...           // 不需要用到rt数据
Tnew_DEin = (cptl || ...) ? 1 : ...                // 在D级产生结果


check( // 判断GRF[rs]里是否有连续的6个1，如是，yes = 1
    input [31:0] A1_DEin,
    output yes
);

mips
/* D级 */
assign WriteBack_DEin = (isCptl_DEin == 1) ? pc_FDout + 32'h8 : ...
assign RegAddr_DEin = (isCptl_DEin == 1 && yes == 1) ? rt_DEin : ... // 否则按照RegDst

/* E级 */
assign WriteBack_EMin = (isCptl_DEin == 1 || ...) ? WriteBack_DEout : ...
assign RegAddr_EMin = (isCptl_DEin == 1 || ...) ? RegAddr_DEout : ...

/* M级 */
assign WriteBack_MWin = (isCptl_DEin || ...) ? WriteBack_EMout : ...
assign RegAddr_MWin = (isCptl_DEin || ...) ? RegAddr_EMout : ...
    
// 最后，由于我们在D级就确定了要回写入哪个寄存器，即RegAddr_DEout的值是确定正确的，则不需要额外担心转发的正确性

访存类

（1）访存 + 判断 + 回写（地址不确定）

P5T3添加指令为 lwoc，I型指令。具体操作为，从DM中读取起始地址为 GPR{base} + {sign_ext}(offset<<2 || 0^2) 的一整个字，若该结果小于无符号32位整数 0x80000000，则取该结果的低4位进行零扩展后作为写入 GRF 的地址，否则取指令中的 rt 为写入 GRF 的地址，写入数据均为该结果。

（acknowledgement：Lazyfish）

/* 整体分析：
	该指令tle与lw大致相同，区别在于在写回地址处需要做一个选择。
    且务必注意该选择给转发带来的影响。    
*/
controller
wire lwoc = (opcode_DEin == 6'b111110) ? 1 : 0;

/* 修改控制信号 */
RegWrite_DEin = (lwoc || ...) ? 1 : 0;      // 需要回写
RegAddr_DEin = (lwoc || ...) ? 2'b00 : ...  // 首先默认写入rt
ALUOp_DEin = (lwoc || ...) ? 2'b00 : ....   // 默认做加法
MemRead_DEin = (lwoc || ...) ? 1 : 0;       // 需要访存
MemtoReg_DEin = (lwoc || ...) ? 1 : 0;      // 访存后需要回写

/* 生成特判信号 */
wire isLwoc_DEin = (lwoc) ? 1 : 0;


hazardStall
wire lwoc = (opcode_DEin == 6'b111110) ? 1 : 0;
Tuse_RS = (lwoc || ...) ? 1 : 0;          // rs用于计算地址
Tuse_RT = (lwoc || ...) ? `maxTuse : ...  // 不需要用到rt的数据
Tnew_DEin = (lwoc || ...) ? 3 : ...       // 新指令产生时间与lw一致


mips
/* M级 */
wire smaller = (WD < 32'h80000000) ? 1 : 0;
wire [4:0] low4_zeroExt = {1'b0, WD[3:0]};
RegAddr_MWin = (isLwoc_EMout == 1 && smaller == 1) ? low4_zeroExt : RegAddr_EMout;

/* 至此，我们能保证新增lwoc指令回写内容和地址都是正确的，但是，lwoc结果转发回去的正确性如何保证？*/

/* 
我们先回顾一下阻塞时如何实现的：
当instruction_FDout对应的阻塞信号在hazardStall中产生高电平时，DEreg被清空，同时instruction_FDout和pc_FDout维持不变。这在事实上就形成了指令停留在D级，传到E级的是空抛的效果。

在这里，当我们的第n条指令是lwoc时，我们希望的是第n+1条指令停留在D级，直到正确的RegAdrr_MWout产生。也就是说，E级检查到lwoc指令就要立刻使Stall维持高电平，M级检查到lwoc指令也同样。

暂停两周期后，我们就能保证第n+1条指令所接受的转发数据的正确性。在时间要求不严格的情况下，我们成功的解决了这道题。但是，如果时间要求比较严格呢？TLE！

在这个题的语境下回写地址RegAddr_MWout有17种可能（GRF[0] ~ GRF[15] + rt。 事实上，上机更常见的情况回写地址一般只有两种选择可能），
也就是说，
我们可以在E级检测到lwoc时判断：rt_DEin和rs_DEin 是否等于 RegAddr_DEout (lwoc要回写的地址) 或 GRF[0] ~ GRF[15]。如果是，暂停。否则不暂停。M级检测是同样的道理。

一般来说，这样的优化足以使我们通过上机测试。

P5被卡时间挂掉的感想：还要特判写0号寄存器的情况进一步加速
*/

回写地址不确定

事实上，我们可以将回写地址不确定分为两类，第一种是必须要使用存储器中数据的，如上面所说的lwoc那样，另一种是在M级之前就能根据计算判断回写地址的。例如：

将GRF[rt]和GRF[rs]做加法，和是奇数写入rd，否则写入31号寄存器。

像这样的题目，事实上，我们总能通过在D级内实现一个组合逻辑便能得到正确回写位置（这时需要将Tues_RT和Tuse_RS设为0，并把Tnew_DEin设置为1）。

我们也可以把判断的事情交给E级，这样就需要处理转发正确性的问题。

如果我们在controller中总是默认写入rd寄存器，则我们只需要考虑实际写入31号寄存器且下一条指令正好使用到了31号寄存器的问题。

wire stall_E = (isxxx_DEout == 1 && (rt_DEin == 31 || rs_DEin== 31)) ? 1 : 0;
wire stall_M = (isxxx_EMout == 1 && RegAddr_MWin == 31 && (rt_DEin == 31 || rs_DEin == 31)) ? 1 : 0;

原码反码与补码

• 原码：原码是一种简单的机器数表示法，最高位为符号位，用 0 表示正数，用 1 表示负数，其余位表示数值的绝对值。
  • 对于十进制数 +5，若用 8 位二进制原码表示，其原码为 00000101。其中最高位 0 表示正数，后面的 0000101 表示数值 5 的二进制形式。
  • 对于十进制数 -5，8 位二进制原码为 10000101，最高位 1 表示负数，后面同样是 5 的二进制表示形式。
• 反码：对于正数，其反码与原码相同；对于负数，反码是在原码的基础上，除符号位外，其余各位按位取反（即 0 变 1，1 变 0）得到的。
  • 十进制数 +5 的 8 位二进制反码依然是 00000101，因为正数的反码和原码一致。
  • 十进制数 -5 的原码是 10000101，那么它的 8 位二进制反码则是 11111010。先保留符号位 1，然后将原码中除符号位之外的 0000101 按位取反得到 11111010。
• 补码：对于正数，其补码与原码、反码相同；对于负数，补码是在反码的基础上再加 1 得到的。
  • 十进制数 +5 的 8 位二进制补码还是 00000101。
  • 十进制数 -5 的反码是 11111010，那么它的 8 位二进制补码就是 11111011，即反码 11111010 再加 1 得到。

减法溢出

考虑一个大的负数减去一个正数，如：

A - B = 0x80000000 - 0x00000001

减去B就等于加B的相反数的补码（按位取反再加1）-1的补码为0xffffffff。

1_10000000_00000000_00000000_00000000 + 1_11111111_11111111_11111111_11111111 = 11_01111111_11111111_11111111_11111111

temp[32] != temp[31] 溢出

PS：感谢lazyfish提供的题目（传送门：lazyfish-lc.github.io）