CO | P3_单周期CPU设计
思考题
-
上面我们介绍了通过 FSM 理解单周期 CPU 的基本方法。请大家指出单周期 CPU 所用到的模块中，哪些发挥状态存储功能，哪些发挥状态转移功能。
状态存储：GRF，IFU
状态转移：Controller，ALU
-
现在我们的模块中 IM 使用 ROM， DM 使用 RAM， GRF 使用 Register，这种做法合理吗？ 请给出分析，若有改进意见也请一并给出。
合理
ROM是只读的存储器，在IM模块，我们需要将存储的程序代码读取出来，而不需要修改程序代码的值。使用ROM不容易造成数据的丢失，系统更稳定 更安全。
RAM是随机存储器，DM需要寄存器可读、可写，且具有大量内存，RAM正具有这些特点
Register寄存器，是高速存储设备，访问数据的速度最快，性能好，在GRF模块使用Register正合适
-
在上述提示的模块之外，你是否在实际实现时设计了其他的模块？如果是的话，请给出介绍和设计的思路。
Splitter，SrcBSrc；（详细设计见下方草稿）
Spliiter用于将Instr（32位指令）分解，输出op，funct，offset等各个部分的指令
SrcBSrc用于选择需要进行ALU操作的数，是从RD2读取的数据 还是扩展后的立即数
-
事实上，实现
nop空指令，我们并不需要将它加入控制信号真值表，为什么？nop指令是0x00000000，在程序中只会进行pc=pc+4的操作，对电路中的其他部件都没有影响，所以不需要修改其他东西的值 -
阅读 Pre 的 “MIPS 指令集及汇编语言” 一节中给出的测试样例，评价其强度（可从各个指令的覆盖情况，单一指令各种行为的覆盖情况等方面分析），并指出具体的不足之处。
ori模块没有测试其立即数的无符号位扩展功能，建议在第三行加上ori $a4,$a0,0xffff得到的结果应该是0xffffbeq模块没有实现向前跳转的功能- 数量太少，覆盖的地址不够
该节中的测试样例：
ori $a0, $0, 123
ori $a1, $a0, 456
lui $a2, 123 # 符号位为 0
lui $a3, 0xffff # 符号位为 1
ori $a3, $a3, 0xffff # $a3 = -1
add $s0, $a0, $a2 # 正正
add $s1, $a0, $a3 # 正负
add $s2, $a3, $a3 # 负负
ori $t0, $0, 0x0000
sw $a0, 0($t0)
sw $a1, 4($t0)
sw $a2, 8($t0)
sw $a3, 12($t0)
sw $s0, 16($t0)
sw $s1, 20($t0)
sw $s2, 24($t0)
lw $a0, 0($t0)
lw $a1, 12($t0)
sw $a0, 28($t0)
sw $a1, 32($t0)
ori $a0, $0, 1
ori $a1, $0, 2
ori $a2, $0, 1
beq $a0, $a1, loop1 # 不相等
beq $a0, $a2, loop2 # 相等
loop1:sw $a0, 36($t0)
loop2:sw $a1, 40($t0)
设计要求
-
处理器为 32 位单周期处理器，应支持的指令集为：
add, sub, ori, lw, sw, beq, lui, nop
，其中：
nop为空指令，机器码0x00000000，不进行任何有效行为（修改寄存器等）。add, sub按无符号加减法处理（不考虑溢出）。
-
需要采用模块化和层次化设计。顶层有效的驱动信号要求包括且仅包括异步复位信号 reset（clk 请使用内置时钟模块）。
设计草稿（模块规格）
模块规格设计包含了 CPU 各个模块的端口说明与功能定义。一个好的模块规格可以让其他人快速理解该模块的功能并加以实现。这就相当于一份 CPU 重要部件的“说明书”，需着重设计。
IFU（取指令单元）
PC（程序计数器）
- PC 用寄存器实现，应具有异步复位功能，复位值为起始地址。
- 起始地址：0x00003000。
- 地址范围：0x00003000 ~ 0x00006FFF。
IM（指令存储器）
- IM 用 ROM 实现，容量为 4096 × 32bit。
- ROM 内部的起始地址是从 0 开始的，即 ROM 的 0 位置存储的是 PC 为 0x00003000 的指令，每条指令是一个 32bit 常数。
- 经过以上分析，不难发现 ROM 实际地址宽度仅需 12 位，请使用恰当的方法将 PC 中储存的地址同 IM 联系起来。
电路外观：
电路内部：
端口说明：
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| clk | I | 时钟信号 |
| reset | I | 异步复位信号，将32个寄存器中的值全部清零 1：复位 0：无效 |
| Zero | I | ALU输出端是否为零，用以判断是否符合跳转条件 0：不跳转 1：跳转 |
| Branch | I | 是否是跳转指令 0：不是跳转指令 1：是跳转指令 |
| SignImm[31:0] | I | 16位立即数 位扩展成32位后的结果，用于beq跳转，表示要跳转到本条指令后的第SignImm条指令 |
| Instr[31:0] | O | 32位指令 |
| pc[31:0] | O | 输出pc寄存器存储的地址 |
功能定义：
| 序号 | 功能名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 异步复位 | reset信号有效时，将寄存器存储的数值置为0x00003000 |
| 2 | 跳转判断 | Zero和Branch同时为1时，PCSrc的值为1，表明是跳转指令且符合跳转条件，跳转到指定语句位置；其他情况下，PCSrc的值为0，进入下一条语句，不进行跳转。 |
| 3 | 取指令 | 将pc存储的地址，减0x00003000（因为ROM 内部的起始地址是从 0 开始的），再取2-13位（0x00003000~0x00006fff）的内容，作为ROM的输入端 |
| 4 | PC地址计算 | 常规情况下pc=pc+4； 当需要beq跳转（Branch&Zero==1）时pc=pc+4+ sign_extend(offset) |
GRF（通用寄存器组，也称为寄存器文件、寄存器堆）
- 用具有写使能的寄存器实现，寄存器总数为 32 个，应具有异步复位功能。
- 0 号寄存器的值始终保持为 0。其他寄存器初始值（复位后）均为 0，无需专门设置。
电路外观：
电路内部：
端口说明：
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| clk | I | 时钟信号 |
| reset | I | 异步复位信号，将32个寄存器中的值全部清零 1：复位 0：无效 |
| WE | I | 写入使能信号 1：可以向GRF中写入数据 0：不能向GRF中写入数据 |
| A1[4:0] | I | 5位地址输入信号，指定32个寄存器中的一个，将其中存储的数据读到RD1 |
| A2[4:0] | I | 5位地址输入信号，指定32个寄存器中的一个，将其中存储的数据读到RD2 |
| A3[4:0] | I | 5位地址输入信号，指定32个寄存器中的一个作为写入目标寄存器 |
| WD3[31:0] | I | 32位数据输入信号 |
| RD1 | O | 输出A1指定的寄存器中的32位数据 |
| RD2 | O | 输出A2指定的寄存器中的32位数据 |
功能定义：
| 序号 | 功能名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 复位 | reset信号有效时，所有寄存器存储的数值清零，其行为与logisim自带部件register的reset接口完全相同 |
| 2 | 读数据 | 读出A1，A2地址对应寄存器中所存储的数据到RD1，RD2 |
| 3 | 写数据 | 当WE 有效且时钟上升沿来临时，将 WD 写入A3 所对应的寄存器中 |
ALU（算术逻辑单元）
- 提供 32 位加、减、或运算及大小比较功能。
- 加减法按无符号处理（不考虑溢出）。
端口说明：
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| SrcA[31:0] | I | 32位输入，用于运算的数A |
| SrcB[31:0] | I | 32位输入，用于运算的数B |
| ALUCtr[3:0] | I | 4位输入，控制ALU中要进行什么运算 0000：加法 0001：减法 0010：或 0011：左移16位（lui） 0100：与 0101：左移shamt位（sll） |
| ALUResult[31:0] | O | 32位输出，进行ALU处理之后得到的结果 |
| Zero | O | 输出Ans是否为0 0：Ans不为0 1：Ans为0 |
功能定义：
| 序号 | 功能名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 加法 | 当ALUCtr等于0000时，将SrcA的值和SrcB的值相加，将结果输出到ALUResult |
| 2 | 减法 | 当ALUCtr等于0001时，用SrcA的值减去SrcB的值，将结果输出到ALUResult |
| 3 | 或 | 当ALUCtr等于0010时，将SrcA的值和SrcB的值或运算，将结果输出到ALUResult |
| 4 | 左移16位（lui） | 当ALUCtr等于0011时，将SrcB的值左移16位，将结果输出到ALUResult |
| 5 | 与 | 当ALUCtr等于0100时，将SrcA的值和SrcB的值做与运算，将结果输出到ALUResult |
| 6 | 左移shamt位（sll） | 当ALUCtr等于0011时，将SrcB的值左移shamt位，将结果输出到ALUResult |
DM（数据存储器）
- 使用 RAM 实现，容量为 3072 × 32bit，应具有异步复位功能，复位值为 0x00000000。
- 起始地址：0x00000000。
- 地址范围：0x00000000 ~ 0x00002FFF。
- RAM 应使用双端口模式，即设置 RAM 的 Data Interface 属性为 Separate load and store ports。
端口说明：
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| clk | I | 时钟信号 |
| reset | I | 异步复位信号，将RAM 中的值全部清零 1：复位 0：无效 |
| ALUResult[31:0] | I | 32位输入，ALU模块计算后的输出值 可能是RAM写入地址（取第2-13位），也可能是A3要写入的值（ReadData） |
| WriteData[31:0] | I | 32位输入，从寄存器中取出来的值，并准备存到RAM中 |
| MemToReg | I | 控制WD3输入的是从DM（数据存储器）读取的值还是ALU运算结果 0：ALUResult 1：ReadData x：不需要向写寄存器写入 |
| MemWrite | I | 决定DM是写入数据还是读取数据 1：从DM中读取数据 0：向DM中写入数据 |
| ReadData[31:0] | O | 32位输出，表示要写入A3的值 可能是ALUResult，也可能是从RAM中读取出来的值 |
功能定义：
| 序号 | 功能名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 异步复位 | 异步复位，将RAM 中的值全部清零 |
| 2 | 存储数据 | 将WriteData写入 RAM中ALUResult的2-6位地址 |
| 3 | 读取数据 | 将RAM中 ALUResult的2-6位地址存储的数据，读取出来，作为ReadData输出 |
EXT（扩展单元）
- 可以使用 Logisim 内置的 Bit Extender。
端口说明：
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| offset[15:0] | I | 输入16位的立即数 |
| ExtOp | I | 将16位的立即数扩展成32位时，选用有符号扩展还是无符号扩展 0：无符号扩展 1：有符号扩展 x：无效 |
| SignImm | O | 输出扩展后的32位数据 |
功能定义：
| 序号 | 功能名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 位扩展 | 将16位的立即数扩展成32位，分符号扩展和无符号扩展两种情况 |
Splitter（分线器）
- 将每条指令的 32 位二进制码分成分别表示寄存器号、funct 码等的二进制码段
端口说明：
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| Instr[31:0] | I | 输入 从IM中读取的32位指令 |
| RegDst | I | 控制给A3传递的地址是Rt还是Rd 0：传Rt的地址（//I类指令） 1：传Rd的地址（//R类指令） x：不需要向写寄存器写入 |
| A1[4:0] | O | 5位地址输出信号，对应GRF中的A1 |
| A2[4:0] | O | 5位地址输出信号，对应GRF中的A2 |
| A3[4:0] | O | 5位地址输出信号，对应GRF中的A3 |
| offset[15:0] | O | 16位输出，输出立即数 |
| op[5:0] | O | 6位操作数，对应op |
| funct[5:0] | O | 6位输出，对应funct |
| Shamt[4:0] | O | 5位输出，对应ALU模块的Shamt |
功能定义：
| 序号 | 功能名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 分线 | 输入Instr，输出不同的值作为输出 |
Controller（控制器）
- 使用与或门阵列构造控制信号的具体方法见后文叙述。
- 也可以通过其它方式构造控制信号，同学们可以自行探索。
课下测试要求的功能：
| funct（5-0） | 100000 | 100010 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| op（31-26） | 000000 | 000000 | 001101 | 100011 | 101011 | 000100 | 001111 |
| 和逻辑↑/或逻辑↓ | add | sub | ori | lw | sw | beq | lui |
| RegDst | 1 | 1 | 0 | 0 | x | x | 0 |
| ALUSrc | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| MemToReg | 0 | 0 | 0 | 1 | x | x | 0 |
| RegWrite | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| MemWrite | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| Branch | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| ExtOp | x | x | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| ALUCtr | add(0000) | sub(0001) | or(0010) | add(0000) | add(0000) | sub(0001) | shift(0011) |
我自己补充的一些功能：
| funct(5-0) | 100100 | 100101 | 000000 | x | 001000 |
|---|---|---|---|---|---|
| op(31-26) | 000000 | 000000 | 000000 | 000011 | 000000 |
| 和逻辑↑/或逻辑↓ | and | or | sll | jal | jr |
| RegDst | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| ALUSrc | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| MemToReg | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| RegWrite | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| MemWrite | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Branch | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| ExtOp | x（0） | 0 | 0 | 0 | 0 |
| JRSrc | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| JalSrc | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| ALUCtr | and(0100) | or(0010) | sll(0101) | 0 | 0 |
sll、jal、j、jr ，以及存取指令 sb、sh、lb、lh
| funct（5-0） | x | x | 110001 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| op（31-26） | 000011 | 100000 | 101000 | 000000 | ||
| 和逻辑↑/或逻辑↓ | jal | j | lb | sb | bezal | |
| RegDst | 0 | 0 | ||||
| ALUSrc | 1 | 1 | ||||
| MemToReg | 1 | 0 | ||||
| RegWrite | 1 | 0 | ||||
| MemWrite | 0 | 1 | ||||
| Branch | 0 | 0 | ||||
| ExtOp | 1 | 1 | ||||
| JRSrc | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Byte | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| ALUCtr | 0 | 0 |
课上增加的功能
| funct（5-0） | 100100 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| op（31-26） | 000000 | |||||
| 和逻辑↑/或逻辑↓ | and | |||||
| RegDst | ||||||
| ALUSrc | ||||||
| MemToReg | ||||||
| RegWrite | ||||||
| MemWrite | ||||||
| Branch | ||||||
| ExtOp | ||||||
| JRSrc | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| ALUCtr |
端口说明：
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| funct[5:0] | I | （5-0） |
| op[5:0] | I | （31-26） |
| RegDst | O | 控制给A3传递的地址是Rt还是Rd 0：传Rt的地址（//I类指令） 1：传Rd的地址（//R类指令） x：不需要向写寄存器写入 |
| ALUSrc | O | 控制ALU的SrcB端口输入，是RD2的值还是立即数 0：RD2的值 1：立即数 |
| MemToReg | O | WD3输入的是从DM（数据存储器）读取的值还是ALU运算结果 0：ALUResult 1：ReadData x：不需要向写寄存器写入 |
| RegWrite | O | GRF的使能信号 1：需要向GRF中写入数据 0：不需要向GRF中写入数据 |
| MemWrite | O | 决定DM是写入数据还是读取数据 1：从DM中读取数据 0：向DM中写入数据，或不需要读取（即除了lw等指令，都是0） |
| Branch | O | 是否是跳转语句 0：不是跳转语句 1：是跳转语句 |
| ExtOp | O | 将16位的立即数扩展成32位时，选用有符号扩展还是无符号扩展 0：无符号扩展 1：有符号扩展 |
| ALU[3:0] | O | ALU需要进行的计算操作类型 0000：加法 0001：减法 0010：或 0011：左移16位 0100：与 |
| JRSrc | O | 是不是jr指令 |
| JSrc | O | 是不是j或jal指令 |
| JalSrc | O | 是不是jal指令（是否需要给ra存值） |
| Is_Byte | O | 是不是lb/sb |
功能定义：
| 序号 | 功能名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 判断操作类型 | 根据op和funct确定指令操作类型 |
| 2 | 产生控制型号 | 根据操作类型，生成控制信号 |
关于MIPS指令编码表
（一般情况下，有例外。如sllv，rs，rt反着的，在ALU中把RD2（A2）左移RD1（A1）位即可）
| 31……26 | 25……21 | 20……16 | 15……11 | 10……6 | 5……0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs（A1） | rt（A2） | rd（A3） | shamt | funct |
| base（0） | offset | offset | offset |
要加上 v2.0 raw
V0：课下要求版本，加sll
V1：加了j，jal，jr
V2：加了j，jal，jr，lb，sb
P3第二次上机
第一题：
orz
| 31……26 | 25……21 | 20……16 | 15……0 |
|---|---|---|---|
| op 101010 |
rs | rt | immediate |
$$
\begin{flalign}
&if \quad GPR[rs]_0 = 0\quad then \
&\qquad GPR[rt]← GPR[rs]\ OR\ sign_extend(immediate)\
&else\
&\qquad GPR[rt]← GPR[rs]\
&Endif
\end{flalign}
$$
第二题：
bno
Branch if Not
| 31……26 | 25……21 | 20……16 | 15……0 |
|---|---|---|---|
| op 101111 |
rs | rt | immediate |
$$
\begin{flalign}
&a← GPR[rs]{30}+GPR[rs]{29}+…+GPR[rs]0\
&b← GPR[rt]{30}+GPR[rt]_{29}+…+GPR[rt]_0\
&temp←a_4||a+b_4||b\
&if\ (temp_4=temp_5) \
&\qquad PC←PC+4+sign_extend(immediate)\
&else\
&\qquad PC←PC+4\
&Endif
\end{flalign}
$$
第三题：
lob
Load Or Byte
$ Addr ← GPR[base] + sign_ext(offset)\ memword← memory[Addr] byte ← Addr_{1…0}\ GPR[rt] ← zero_ext(memword_{7+8byte…8byte})$
