BUAA-CO-2022

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P3 单周期 CPU 设计文档 ​

一、指令分析 ​

MIPS所有指令大致可分成三类，对它们做一一分析。

1.1 R 型指令 ​

R型指令的指令格式为：

[31:26]op（R型指令全0
[25:21]rs（源操作数
[20:16]rt（源操作数
[15:11]rd（目的操作数
[10:6]shamt（位移量
[5:0]func（辅助op决定指令类型）

R 型指令又可具体分成三种:

  1. 第一种类似 add 指令 两个源寄存器 rs 和 rt 进行运算，结果存到第目标寄存器 rd，由 func 段决定具体功能，shamt 段全为 0
  2. 第二种用于移位运算， 例如 sll 指令、sra 指令。此时 shamt 段指示移位量， rs 全为 0
  3. 第三种就是 jr 指令， 只有 op、rs、func 段不为零

1.2 I 型指令 ​

I 型指令格式为：

[31:26]op（决定指令类型）
[25:21]rs（第一个源操作数）
[20:16]rt（目的操作数）
[15:0]immediate（第二个源操作数）

I 型指令具体又分成三种：

  1. 第一种，类似 addi 指令，将 rs 与 immediate 做运算，结果存到目的寄存器 rt 中。
  2. 第二种，类似于 lw 指令， 将 两个操作数 rs、immediate 直接相加作为数据段内存 RAM 的地址加以操作。
  3. 第三种，例如 beq 指令， 对 rs、rt 作比较， 根据结果判断是否利用 immediate 段对pc做操作。

1.3 J 型指令 ​

J 型指令的格式：

[31:26]op（决定指令类型）
[25:0]immediate（立即数）

J 型指令又细分两种：

  1. 第一种如 j，根据 immediate 段直接得到 PC 的值。

  2. 第二种如 jal, 功能类似上一条，但是多了一步，跳转之前会把当前 PC+4 存入 ra 寄存器 中


二、模块设计 ​

2.1 PC ​

logisim 中实现 PC 模块直接使用32位寄存器即可，输入信号包括异步复位信号，时钟信号，下一个 PC 值， 输出信号有当前 PC 值。

2.2 NPC ​

NPC 模块实现对下一条指令的判断，根据对指令的归类，下一条指令可能来自于：当前 PC 值加 4、 J 指令的26位立即数段直接置入新的 PC、 R型跳转指令16位立即数与当前 PC 做运算、jr 指令跳转到寄存器存储的指令地址。

端口方向功能
imm_26input[25:0]26 位立即数
imm_16input[15:0]16 位立即数
PCinput[31:0]当前 PC 的值
NPCopinput[1:0]00：PC+4；01：PC+4+signed[imm_16]+00；10：PC[31:28]+imm26+00；11：regdata
Reg_rainput[31:0]用于 jr 指令
COMPresultinput用于 R 型跳转指令的比较结果
PCnextoutput[31:0]计算所得下一个 PC

2.3 COMP ​

对操作数作比较，用于提供NPC模块所需的信号。

端口方向功能
operationAinput[31:0]第一个操作数
operationBinput[31:0]第二个操作数
COMPopinput[2:0]模块控制信号：000：A=?=B；001：A<?B有符号；010：A>?B有符号；011：A<?B无符号；100：A>?B无符号；101：A!=B？
COMPresultoutput根据 COMPop 输出一位结果，高电平为真

2.4 ALU ​

提供各类运算功能。

端口方向功能
operationAinput[31:0]第一个操作数
operationBinput[31:0]第二个操作数
shamtCinput[4:0]用于 R 指令的移位数
ALUopinput[2:0]控制信号 000：A+B；001：A-B；010：A或B；011：A与B；100：B逻辑右移C；101：B逻辑左移 C；110：B算数右移C
COMPopinput[2:0]模块控制信号 000：A=?=B；001：A<?B有符号；010：A>?B有符号；011：A<?B无符号；100：A>?B无符号；101：A!=B？
Youtput[31:0]32 位输出结果
COMPresultoutput根据 COMPop 输出一位结果，高电平为真

为了简化顶层模块与连线，将 COMP 模块综合到 ALU 中，ALU 的外部信号也增加了 COMP 的端口

2.5 DM ​

数据存储器，用于作内存，存储数据。

端口方向功能
Resetinput异步复位信号
clkiinput时钟控制信号，上升沿有效
MemAddrinput[4:0]数据所在地址
MemWEinput写入信号，高电平时，将数据端口数据写入对应地址当中
MemWDinput[31:0]将要写入 RAM 内存里的数据
MemReadDataoutput[31:0]根据 DataAddr 读出的数据

2.6 EXT ​

实现有/无符号的扩展。

端口方向功能
EXTininput[15:0]操作数
EXToutoutput[31:0]扩展得到的结果
EXTopinput[1:0]控制信号 00：符号扩展，01：无符号扩展；10：低位补0

2.7 GRF ​

32 位通用寄存器的读写模块。

端口方向功能
resetinput异步复位信号
WEinput写控制信号，高电平有效
clkinput时钟信号
A1input[4:0]第一个读寄存器的编号
A2input[4:0]第二个读寄存器的编号
A3input[4:0]用于写的寄存器的编号
WDinput[31:0]用于写入 A3 寄存器的 32 位数据
RD1output[31:0]第一个读出的数据
RD2output[31:0]第二个读出的数据

2.8 Controller ​

端口方向功能
Instr_opinput[5:0]读取指令的 opz 字段
Instr_funcinput[5:0]读取指令的 func 字段
RegWriteoutput寄存器文件GRF写控制信号 1：使能；0：不能写入
RegDstouput[1:0]区分R型指令与I型指令的多路选择信号 00：选择instr_rd; 01：选择instr_rt; 10：写入31号寄存器ra
EXTopoutput[1:0]EXT模块区分有无符号扩展的控制信号 00：符号扩展；01：无符号扩展; 10：低位补零
NPCopoutput[1:0]PCnext = 00：PC+4； 01： PC+4+signed[imm_16]+00; 10: PC[31:28]+imm26+00; 11：regdata
ALUSrcoutput选择ALU的操作数B 0：RD2 1：扩展后的32位立即数
ALUopoutput[2:0]控制信号 000：A+B；001：A-B；010： A或B； 011：A与B； 100：B逻辑右移C; 101: B逻辑左移C; 110: B算数右移C
COMPopoutput[2:0]模块控制信号 000：A=?=B；001：A<?B有符号；010：A>?B有符号；011：A<?B无符号; 100: A>?B无符号；101：A!=B？
MemWriteoutput写入信号，高电平时，将数据端口数据写入对应地址当中
DatatoRegoutput[2:0]GRF 输入端 WD 的选择信号，000：ALUresult；001：MemReadData；010：PC+4；011：写入 COMPresult

注记：该设计已经把 IM 模块放在顶层设计了。


三、指令实现 ​

该部分则主要是根据要实现的指令特征对 Controller 的输入输出作分析。

  • ori 指令：

    功能描述 : GPR[rt] <- GPR[rs] OR unsignedextend(immediate)

    opRegWriteRegDst[1:0]EXTop[1:0]NPCop[1:0]ALUSrcALUop[2:0]COMPop[2:0]MemWriteDatatoReg[2:0]
    00110110101001010XXX0000

  • add 指令：

    功能描述：GPR[rd] <- GPR[rs]+GPR[rt]

    opfuncRegWriteRegDst[1:0]EXTop[1:0]NPCop[1:0]ALUSrcALUop[2:0]COMPop[2:0]MemWriteDatatoReg[2:0]
    000000100000100XX000000XXX0000

  • sub 指令：

    功能描述 GPR[rd] <- GPR[rs] - GPR[rt]

    opfuncRegWriteRegDst[1:0]EXTop[1:0]NPCop[1:0]ALUSrcALUop[2:0]COMPop[2:0]MemWriteDatatoReg[2:0]
    000000100010100XX000001XXX0000

  • sw 指令：

    功能描述：memory[GPR[base]+offset] <- GPR[rt]

    opRegWriteRegDst[1:0]EXTop[1:0]NPCop[1:0]ALUSrcALUop[2:0]COMPop[2:0]MemWriteDatatoReg[2:0]
    1010110XX00001000XXX1XXX

  • lw 指令：

    功能描述：GPR[rt] <= memory[GPR[base]+offset]

    opRegWriteRegDst[1:0]EXTop[1:0]NPCop[1:0]ALUSrcALUop[2:0]COMPop[2:0]MemWriteDatatoReg[2:0]
    10001110100001000XXX0001

  • lui 指令：

    功能描述：GPR[rt] <- immediate||16'd0

    opRegWriteRegDst[1:0]EXTop[1:0]NPCop[1:0]ALUSrcALUop[2:0]COMPop[2:0]MemWriteDatatoReg[2:0]
    00111110110001000XXX0000

  • beq 指令：

    功能描述：if (GPR[rs] == GPR[rt]) PC <- PC + 4 + sign_extend(offset||00) else PC <- PC + 4

    opRegWriteRegDst[1:0]EXTop[1:0]NPCop[1:0]ALUSrcALUop[2:0]COMPop[2:0]MemWriteDatatoReg[2:0]
    0001000XXXX01XXXX0000XXX

  • bne 指令：

    功能描述：if (GPR[rs] ≠ GPR[rt]) PC <- PC + 4 + sign_extend(offset||00) else PC <- PC + 4

    opRegWriteRegDst[1:0]EXTop[1:0]NPCop[1:0]ALUSrcALUop[2:0]COMPop[2:0]MemWriteDatatoReg[2:0]
    0001010XXXX01XXXX1010XXX

  • J 指令：

    功能描述：PC <- PC[31:28]||immediate||00

    opRegWriteRegDst[1:0]EXTop[1:0]NPCop[1:0]ALUSrcALUop[2:0]COMPop[2:0]MemWriteDatatoReg[2:0]
    0000100XXXX10XXXXXXXX0XXX

  • addi 指令：

    功能描述：GPR[rt] <- GPR[rs]+ signedextend(immediate)

    opRegWriteRegDst[1:0]EXTop[1:0]NPCop[1:0]ALUSrcALUop[2:0]COMPop[2:0]MemWriteDatatoReg[2:0]
    00100010100001000XXX0000

  • slt 指令：

    功能描述：GPR[rd] <- (GPR[rs] < GPR[rt])

    opfuncRegWriteRegDst[1:0]EXTop[1:0]NPCop[1:0]ALUSrcALUop[2:0]COMPop[2:0]MemWriteDatatoReg[2:0]
    000000101010100XX000XXX0010011

  • sll 指令：

    功能描述：GPR[rd] <- GPR[rt] << s 功能描述：GPR[rt] <- GPR[rs] + signedextend(immediate)

    opfuncRegWriteRegDst[1:0]EXTop[1:0]NPCop[1:0]ALUSrcALUop[2:0]COMPop[2:0]MemWriteDatatoReg[2:0]
    000000000000100XX000101XXX0000

  • jr 指令：

    功能描述：PC <- GPR[rs]

    opfuncRegWriteRegDst[1:0]EXTop[1:0]NPCop[1:0]ALUSrcALUop[2:0]COMPop[2:0]MemWriteDatatoReg[2:0]
    0000000010000XXXX11XXXXXXX0XXX

  • jal 指令：

    功能描述：PC <- (PC[31:28] || instr_immediate || 00)；GPR[31] <- PC + 4

    opRegWriteRegDst[1:0]EXTop[1:0]NPCop[1:0]ALUSrcALUop[2:0]COMPop[2:0]MemWriteDatatoReg[2:0]
    000011110XX10XXXXXXX0010

四、测试方案 ​

声明：下列所有测试数据均是手捏数据，测试强度不能保证。

ori 指令：

ori $t0, $zero, 200
ori $t1, $t0, 65535
ori $zero, $t1, 100

lui 指令：

lui $a2, 123           
lui $a3, 0xffff         
lui $zero, 123
lui $a1, 0

add 指令：

lui $t1, 0    # t1 > 0
lui $t2, 0xffff # t2 < 0
ori $t1, 100
ori $t2, 100
nop
add $t3, $t2, $t2
add $t4, $t1, $t1
add $t5, $t1, $t2
add $0, $0, $t5

sub 指令：

lui $t1, 0    # t1 > 0
lui $t2, 0xffff # t2 < 0
ori $t1, 100
ori $t2, 100
nop
sub $t3, $t2, $t2
sub $t4, $t1, $t1
sub $t5, $t1, $t2
sub $t5, $t2, $t1
sub $0, $0, $t5

sw 指令：

ori $t0, $0, 16
ori $a0, 100
lui $a1, 0xf000
ori $a1, 0xff00
lui $a2, 0xffff
ori $a2, 0xffff
lui $a3, 0x8fff
ori $a3, 0xffff
sw $a0, 0($t0)
sw $a1, 4($t0)
sw $a2, 8($t0)
sw $a3, -4($t0)

lw 指令：

ori $t0, $0, 16
ori $a0, 100
lui $a1, 0xf000
ori $a1, 0xff00
lui $a2, 0xffff
ori $a2, 0xffff  #a2 = -1
lui $a3, 0x8fff
ori $a3, 0xffff
sw $a0, 0($t0)
sw $a1, 4($t0)
sw $a2, 8($t0)
sw $a3, -4($t0)
nop
lw $0, 0($t0)
lw $s0, -4($t0)
lw $s1, 4($t0)
lw $s2, 17($a2)

beq 指令：

ori $a0, 1
ori $a1, 2
ori $a2, 3
beq $t0, $a0, state1
add $t0, $a0, $a0
beq $t0, $a1, state2
state1:
    add $t0, $t0, $a0
state2:
    beq $t0, $a1, state1
state3:
    beq $t0, $a1, state3
state4:
    beq $t0, $a2, state4
add $t0, $0, $0

综合测试：

## 实现1加到100，结果给到 $s0,如果值为5050， 则把 $v0 置位 -1，存入指定位置里，再取出来
ori $t0, 1
ori $t1, 1
ori $t2, 101
ori $s1, 5050
loop_begin:
    beq $t1, $t2, loop_end
    add $s0, $s0, $t1
    add $t1, $t1, $t0
    j loop_begin
loop_end:
nop
if_begin:
    bne $s0, $s1, state2
    beq $s0, $s1, state1
state1:
    lui $v0, 0xffff
    ori $v0, $v0, 0xffff
state2:
    sw $v0, 16($0)
    lw $s1, 16($0)