1. 分析指令集

  • 经过分类，指令共包含R型指令和I型指令
  • 列出其对应的32位机器码，寻找共性差异

R型指令：

Type Op Rs Rt Rd Shamt Func 解释
add 000000 (5) (5) (5) 00000 100000 相加(rs+rt->rd)
sub 000000 (5) (5) (5) 00000 100010 相减(rs-rt->rd)

I型指令：

Type Op Rs Rt Immediate 解释
ori 001101 (5) (5) (16) 或运算(rs|immediate->rt)
lui 001111 00000 (5) (16) 立即数加载至高16位({immediate||{16{1’b0}}}->rt)
Type Op Rs Rt Offset 解释
lw 100011 (5) (5) (16) 加载字(rs+offset在memory中data->rt)
sw 101011 (5) (5) (16) 保存字(rt->rs+offset在memory中的data)
beq 000100 (5) (5) (16) rs与rt相等则PC偏移offset*4

J型指令

type Op instr_index 解释
jal 000011 (26) 跳转至index并且PC+4 -> $ra
type Op rs 0 0 func 解释
jr 000000 (5) {10{1’b0}} {5{1’b0}} 001000 跳转至$rs中的地址

2. PC设计

端口设计：

方向 name 位宽
input PCop [3:0]
input beq [31:0]
input jal [31:0]
input jr [31:0]
input reset 1
input clk 1
output PC [31:0]

转移设计：

PCop 解释
0000 PC <= PC + 4
0001 PC <= PC + 4 + beq
0010 PC <= jal
0011 PC <= jr

3. IM设计

端口设计：

方向 name 位宽
input PC [31:0]
output instruction [31:0]

转移设计：

解释
instruction <= instruction_memory[PC]

4. 设计splitter

端口设计：

方向 name 位宽
input instruction [31:0]
output Op [5:0]
output Func [5:0]
output rs [4:0]
output rt [4:0]
output rd [4:0]
output immediate [15:0]
output jal [25:0]

alt text

5. 设计ALU

ALU端口设计：

type name 位宽
input num1 [31:0]
input num2 [31:0]
input ALUop [7:0]
output ans [31:0]

ALUop解释：

ALUop 解释
10001 加法
10010 减法
10011 与运算
10100 或运算
10101 异或运算
10110 相等
10111 大于
11000 小于

6. CU

端口设计：

type name 位宽 解释
input Op [5:0] 机器码高6位
input Func [5:0] 机器码低6位
output RegDst [1:0] GRF被写入寄存器是rt还是rd。0是rt，1是rd，10是$ra
output ALUSrc [1:0] ALU第二个运算值是rt还是立即数。0是rt，1是立即数
output memtoReg [1:0] GRF写入值是ALUans还是DMans。0是ALUans，1是DMans，10是PC + 4
output Regwrite 1 是否写入GRF
output Memwrite 1 是否写入RAM
output PCsel [3:0] 当前指令是否是beq\jal\jr
output Extop [7:0] 扩展操作类型类型，详见Extender
output ALUop [7:0] ALU运算类型，详见ALU
output instr_type [7:0] 指令类型
  • 内部电路采用最小项表达式判断法，先判断Op，再判断Func

每种指令所需控制信号：

RegDst ALUSrc memtoReg Regwrite Memwrite PCsel Extop ALUop
add 01 00 00 1 0 0000 ADD
sub 01 00 00 1 0 0000 SUB
ori 00 01 00 1 0 0000 0000 OR
lui 00 01 00 1 0 0000 0010 ADD
lw 00 01 01 1 0 0000 0001 ADD
sw 01 0 1 0000 0001 ADD
beq 00 0 0 0001 0011 EQUAL
jal 10 10 1 0 0010 0100
jr 00 0 0 0011 ADD

7. Extender

端口类型：

type name 位宽
input num [15:0]
input jal [25:0]
input Extop [3:0]
input PC [31:0]
output ans [31:0]

Extop类型解释：

Extop 解释
0000 zero扩展
0001 sign扩展
0010 低16位移至高16位，补0
0011 sign扩展，左移2位，补0
0100 PC高4位，jal补2位0

8.GRF

alt text

9. DM

端口设计：

方向 name 位宽
input addr [31:0]
input WD [31:0]
input clk 1
input reset 1
input WE 1
output data [31:0]

10. 测试方案

  1. 通过机器码来检验正确性。根据输出来比对MARS中操作行为。
  2. 通过评测机来检验正确性。

11. 思考题

  1. addr信号是ALU计算得到的，在lw或sw指令中，ALU将一个寄存器中的值和立即数经扩展移位之后的结果相加，得到的运算结果为address，作为addr端传入到DM中去访存数据。addr位数是[11:2]是因为addr的单位是字节，但是DM中memory数组的位宽是[31:0]，也就是一字。一字等于四字节。取addr的[11:2]位相当于将addr右移两位，即整除4，其代表的含义是该addr所在的字地址。通过该字地址，我们可以访存DM中addr的数据。

  2. 第一种是每种指令所对应的控制信息，代码示例如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
reg [31:0] instr;

(identify instr)

(assume outputs are o1,o2,o3...)

always@(*) begin
	case(instr)
		instr1: begin
			o1 = 1;
			o2 = 1;
			o3 = 0;
			o4 = 1;
			...
			on = 1;
		end
		instr2: begin
			o1 = 0;
			o2 = 0;
			o3 = 0;
			o4 = 1;
			...
			on = 1;
		end
		instr3: begin
			o1 = 1;
			o2 = 1;
			o3 = 0;
			o4 = 0;
			...
			on = 0;
		end
		(similar codes like above)
	endcase
end

好处：条理清晰，每种指令所对应的输出端口一目了然，结构层级明显，不容易出错，debug难度较低，便于统计。
坏处：每一条指令均需要罗列全部的输出端口，重复性操作较多，添加指令较为麻烦。

第二种是每种控制信息所需要的指令，代码示例如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
reg [31:0] instr;

(identify instr)

(assume outputs are o1,o2,o3...)

always@(*) begin
	if(instr == `instr1
	|| instr == `instr2
	|| instr == `instr4) begin
		o1 = 1;
	end else begin
		o1 = 0;
	end

	if(instr == `instr3) begin
		o2 = 1;
	end else begin
		o2 = 0;
	end

	if(instr == `instr4
	|| instr == `instr5) begin
		o3 = 1;
	end else begin
		o3 = 0;
	end
	(similar codes like above)
end

好处：操作简单，新增指令只需要新增对应输出端口的判断条件即可，可维护性较强。
缺点：可读性差，debug难度较高，无法直观显示指令与输出之间的关系。

  1. 同步复位是指，所有复位操作均在时钟上升沿进行。即reset在时钟周期中有效不会立即生效，得保持到clk上升沿才能复位。clk优先级高于reset。 异步复位是指，reset有效时立即复位，因此不用等到clk上升沿即可复位。reset优先级高于clk。

  2. add或者addi首先检查两个操作数是否是合法的word，如果不是，会抛出UndefinedResult()异常。之后尝试相加并判断相加之后是否有符号溢出，如果符号溢出则会抛出SignalException()异常。如果不溢出则赋值给相应寄存器。addu或者addiu也会首先检查两个操作数是否是合法的word，如果不是则同样抛出UndefinedResult()异常。不一样的地方在于，相加之后取结果的[31:0]位直接复制给对应寄存器。这是因为对于无符号数，没有符号位，每一位的位权都是正的，因此直接相加即可，取低32位为运算结果。但有符号数的最高位是符号位，如果因为相加进位导致符号位的改变，则会改变运算结果的符号，因此需要判断是否有符号溢出。如果不考虑符号溢出，则无需关注相加是否导致符号位改变，只需要相加取低32位即可，默认程序员会维护加法运算。因此在不考虑溢出的情况下，有符号加法和无符号加法的操作方式都是一样的，可以认为是等价。

附一张Logisim的CPU框架方便理解
alt text