指令集

分类:

alu_type:add,sub,and,or,slt,sltu

alu_imm:addi,andi,ori

mdu:mult,multu,div,divu

mf:mfhi,mflo

mt:mthi,mtlo

LdWd:lw,lb,lh

StWd:sw,sb,sh

branch:beq,bne

special:lui

jump:j,jal,jr

新增模块

MDU

端口名称 方向 位宽
clk I 1
reset I 1
start I 1
A I 32
B I 32
MDUOp I 4
HI O 32
LO O 32
out O 32
busy O 1

lwEXT

端口名称 方向 位宽
Din I 32
Addr I 2
lwOp I 4
Dout O 32

控制信号

ALUOp

1
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assign ALUOp = (add||addi||StWd||LdWd) ? 4'b0000 :
					(sub)  ?  4'b0001 :
					(AND||andi)  ?  4'b0010 : 
					(OR||ori)   ?  4'b0011 : 
					(slt)  ?  4'b0100 : 
					(sltu) ?  4'b0101 : 4'b1111;

MDUOp

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assign MDUOp = (mult)  ? 4'b0001 :
					(multu) ? 4'b0010 :
					(div)   ? 4'b0011 :
					(divu)  ? 4'b0100 :
					(mfhi)  ? 4'b0101 :
					(mflo)  ? 4'b0110 :
					(mthi)  ? 4'b0111 :
					(mtlo)  ? 4'b1000 : 4'b0000;

lwOp

1
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3
assign lwOp = (lw) ? 3'b000 :
				  (lb) ? 3'b010 :
				  (lh) ? 3'b100 : 3'b111;

Byteen

1
2
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assign MemType = (sw) ? 4'b1111 :
		(sh) ? (addr[1] ? 4'b1100 : 4'b0011) :
		(sb) ? (4'b1 << addr) : 4'b0000;

CMPOp

1
2
assign CMPOp = (bne) ? 3'b10 :
				(beq) ? 3'b01 : 3'b00;

NPC_sel

1
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3
assign npc_sel = (beq||bne) ? 3'b001 :
				(jal||j) ? 3'b010 :
				(jr) ? 3'b011 : 3'b0;

out_sel

1
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assign outE_sel = (lui) ? 2'b01 :
				(jal) ? 2'b10 : 2'b00;
assign outM_sel = (alu_type||alu_imm) ? 2'b01 : 
				(mf) ? 2'b10 : 2'b00;
assign outW_sel = (LdWd) ? 2'b01 : 2'b00;

else

1
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assign RegDst = (alu_type) ? 2'b01 :
				 (jal) ? 2'b10 : 2'b00;
assign ALUsrc = (alu_imm||LdWd||StWd);
assign RegWrite = (alu_type||alu_imm||lui||LdWd||jal||mf);
assign ExtOp = (lui) ? 2'b10 :
				(LdWd||StWd) ? 2'b01 : 2'b00;

阻塞与转发

Rs_Tuse

1
2
assign Rs_T_use = (alu_type||alu_imm||mdu||mt||LdWd||StWd) ? 2'b01 :
				(beq||bne||jr||lui) ? 2'b00 : 2'b11;

Rt_Tuse

1
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3
assign Rt_T_use = (alu_type||mdu) ? 2'b01 :
			(StWd) ? 2'b10 :
			(beq||bne) ? 2'b00 : 2'b11;

Tnew_D

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3
assign T_new = ((Status == 2'b01 && (alu_type||alu_imm||mf))||
                (Status == 2'b10 && LdWd)) ? 2'b01 :
		(Status == 2'b01 && LdWd) ? 2'b10 : 2'b00;

测试方案

  1. 按分类逐条测试新增指令
  2. 考虑阻塞和转发按情况测试指令

    思考题

    为什么需要有单独的乘除法部件而不是整合进ALU?为何需要有独立的HI,LO寄存器

乘除法部件的运算逻辑与读写数据都与ALU截然不同。

  1. 乘除法具有高强度阻塞和特别的时序逻辑，不能和组合逻辑直接混用。
  2. HI，LO寄存器只有MDU能用到，和ALU混用，内部耦合度提高，会变得混乱

把HI，LO放在E区，与其他寄存器分离开来，能够实现即出即写，避免了读写冲突。

真实的流水线CPU是如何实现乘除法的？

在真实的流水线CPU中，32位乘法是分部分计算的，一个周期可以32位对8位数的乘法，4个周期算完。
除法用试商法，一次试4位，8个周期做完除法。

请结合自己的实现分析，你是如何处理BUsy信号带来的周期阻塞的？

start引发busy，start和busy都能导致阻塞。
通过计数器控制阻塞周期数，在最后一周期，清空busy,cnt，并完成寄存器赋值。

请问采用字节使能信号的方式处理写指令有什么好处？

清晰性：
清晰地表达了究竟要写哪些字节，对每个字节执行独立的赋值。

统一性：
sw,sh,sb都能用同样的按字节赋值的逻辑来执行。

请思考，我们在按字节读和按字节写时，实际从DM获得数据和向DM写入的数据是否是一字节？在什么情况下我们按字节读和按自己写的效率会高于按字节读和写？

写入DM的确实只写了一个字节，但从DM获取的是一整个字，要经过后续处理。

执行lw和sw时按字读写更快，但是执行对半字与字节的操作时，按字节读写效率更高。

为u了对抗复杂性你采取了哪些抽象和规范手段？这些手段在译码和处理数据冲突时有什么样的特点与帮助？

抽象：
对指令进行了归类，并按类地添加和处理指令。
规范：
对于同一类指令，统一为控制信号赋值。
帮助：
在译码和处理数据冲突的时候，按类调整控制信号与T信号，更加方便。

在本实验中你遇到了哪些不同指令类型组合产生的冲突，你又是如何解决的?相应的测试样例是什么样的?

新的冲突只有数据冒险。
阻塞：
在HAzard译码时为各个指令赋好了Tuse_rs,Tuse_rt,Tnew，阻塞正常进行。
转发：
需求者没有改变。
供给者M级有来自MDU的新数据。

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mult $s1, $s2
mfhi $t0            ## 写$t0
add $t1, $t0, $t0   ## 读$t0，M->E需转发，写$t1
mtlo $t1            ## 读$t1，M->E需转发
mflo $t2            ## 写$t2
add $t3 $t2 $t2     ## 读$t2，M->E需转发，写$t3
mthi $t3            ## 读$t3，M->E需转发
mfhi $t4            ## 写$t4
sw $t4 0($0)        ## 读$t4，M->E需转发
lw $t5 0($0)        ## 写$t5
mtlo $t5            ## 读$t5
mflo $t6            ## 写$t6
label:
or $t6 $t6 $0       ## 表示正在死循环
bne $0 $t6 label    ## M->D转发
nop

如果你是手动构造的样例，请说明构造策略，说明你的测试程序如何保证覆盖了所有需要测试的情况；如果你是完全随机生成的测试样例，请思考完全随机的测试程序有何不足之处；如果你在生成测试样例时采用了特殊的策略，比如构造连续数据冒险序列，请你描述一下你使用的策略如何结合了随机性达到强测的效果。

我采用了手动构造法。
通过建立策略矩阵，按照T的关系来进行构造。