P4 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:
- 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 - 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 - 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：
- 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。 - 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。 - 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：
第一种如
j，根据immediate段直接得到 PC 的值。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
32位寄存器，输入信号包括同步复位信号，时钟信号，下一个 PC 值，输出信号有当前 PC 值。
| 端口 | 方向 | 功能 |
|---|---|---|
| PCnext | input[31:0] | 下一条指令的地址 |
| clk | input | 时钟控制信号 |
| reset | input | 同步复位信号，高电平有效 |
| PC | output[31:0] | 当前执行的指令地址 |
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、 I 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_26 | input[25:0] | 26 位立即数 |
| imm_16 | input[15:0] | 16 位立即数 |
| PC | input[31:0] | 当前PC的值 |
| NPCop | input[1:0] | 00：PC+4；01：PC+4+signed[imm_16]+00；10：PC[31:28]+imm26+00；11：regdata |
| Reg_ra | input[31:0] | 用于 jr 指令 |
| CMPresult | input | 用于 R 型跳转指令的比较结果 |
| PCnext | output[31:0] | 计算所得下一个 PC |
2.3 IM
存放指令的存储器。
| 端口 | 方向 | 功能 |
|---|---|---|
| instrAddr | input[13:2] | 指令所在的地址 |
| instr | output[31:0] | 32 位指令机器码 |
2.4 ALU
提供各类运算功能。
| 端口 | 方向 | 功能 |
|---|---|---|
| operationA | input[31:0] | 第一个操作数 |
| operationB | input[31:0] | 第二个操作数 |
| shamtC | input[4:0] | 用于R指令的移位数 |
| ALUop | input[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 |
| CMPop | input[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？ |
| ALUresult | output[31:0] | 32 位输出结果 |
| CMPresult | output | 根据 CMPop 输出一位结果，高电平为真 |
2.5 DM
数据存储器，用于作内存，存储数据。
| 端口 | 方向 | 功能 |
|---|---|---|
| Reset | input | 同步复位信号 |
| clk | iinput | 时钟控制信号，上升沿有效 |
| MemAddr | input[11:0] | 数据所在地址 |
| MemWrite | input | 写入信号，高电平时，将数据端口数据写入对应地址当中 |
| MemWD | input[31:0] | 将要写入 RAM 内存里的数据 |
| MemReadData | output[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 |
|---|---|---|
| EXTin | input[15:0] | 操作数 |
| EXTop | input[1:0] | 控制信号 00：符号扩展， 01： 无符号扩展; 10: 低位补0 |
| EXTout | output[31:0] | 扩展得到的结果 |
2.7 GRF
32位通用寄存器的读写模块。
| 端口 | 方向 | 功能 |
|---|---|---|
| reset | input | 同步复位信号 |
| GRFWrite | input | 写控制信号，高电平有效 |
| clk | input | 时钟信号 |
| regAddr1 | input[4:0] | 第一个读寄存器的编号 |
| regAddr2 | input[4:0] | 第二个读寄存器的编号 |
| regAddr3 | input[4:0] | 用于写的寄存器的编号 |
| regWD | input[31:0] | 用于写入A3寄存器的32位数据 |
| RD1 | output[31:0] | 第一个读出的数据 |
| RD2 | output[31:0] | 第二个读出的数据 |
2.8 Controller
组合逻辑得到控制信号。
| 端口 | 方向 | 功能 |
|---|---|---|
| Instr_op | input[5:0] | 读取指令的 opz 字段 |
| Instr_func | input[5:0] | 读取指令的 func 字段 |
| RegWrite | output | 寄存器文件 GRF 写控制信号 1：使能；0：不能写入 |
| RegDst | ouput[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 |
| EXTop | output[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 |
| NPCop | output[1:0] | PCnext = 00：PC+4；01：PC+4+signed[imm_16]+00；10：PC[31:28]+imm26+00；11：regdata |
| ALUSrc | output | 选择 ALU 的操作数 B 0：RD2；1：扩展后的 32 位立即数 |
| ALUop | output[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 |
| CMPop | output[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？ |
| MemWrite | output | 写入信号，高电平时，将数据端口数据写入对应地址当中 |
| DatatoReg | output[2:0] | GRF 输入端 WD 的选择信号，000：ALUresult；001：MemReadData；010：PC+4；011：写入 CMPresult |
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)
op RegWrite RegDst[1:0] EXTop[1:0] NPCop[1:0] ALUSrc ALUop[2:0] COMPop[2:0] MemWrite DatatoReg[2:0] 001101 1 01 01 00 1 010 XXX 0 000 add 指令：
功能描述：GPR[rd] <- GPR[rs]+GPR[rt]
op func RegWrite RegDst[1:0] EXTop[1:0] NPCop[1:0] ALUSrc ALUop[2:0] COMPop[2:0] MemWrite DatatoReg[2:0] 000000 100000 1 00 XX 00 0 000 XXX 0 000 sub 指令：
功能描述 GPR[rd] <- GPR[rs] - GPR[rt]
op func RegWrite RegDst[1:0] EXTop[1:0] NPCop[1:0] ALUSrc ALUop[2:0] COMPop[2:0] MemWrite DatatoReg[2:0] 000000 100010 1 00 XX 00 0 001 XXX 0 000 sw 指令：
功能描述：memory[GPR[base]+offset] <- GPR[rt]
op RegWrite RegDst[1:0] EXTop[1:0] NPCop[1:0] ALUSrc ALUop[2:0] COMPop[2:0] MemWrite DatatoReg[2:0] 101011 0 XX 00 00 1 000 XXX 1 XXX lw 指令：
功能描述：GPR[rt] <= memory[GPR[base]+offset]
op RegWrite RegDst[1:0] EXTop[1:0] NPCop[1:0] ALUSrc ALUop[2:0] COMPop[2:0] MemWrite DatatoReg[2:0] 100011 1 01 00 00 1 000 XXX 0 001 lui 指令：
功能描述：GPR[rt] <- immediate||16'd0
op RegWrite RegDst[1:0] EXTop[1:0] NPCop[1:0] ALUSrc ALUop[2:0] COMPop[2:0] MemWrite DatatoReg[2:0] 001111 1 01 10 00 1 000 XXX 0 000 beq 指令：
功能描述：if (GPR[rs] == GPR[rt]) PC <- PC + 4 + sign_extend(offset||00) else PC <- PC + 4
op RegWrite RegDst[1:0] EXTop[1:0] NPCop[1:0] ALUSrc ALUop[2:0] COMPop[2:0] MemWrite DatatoReg[2:0] 000100 0 XX XX 01 X XXX 000 0 XXX jr 指令：
功能描述：PC <- GPR[rs]
op func RegWrite RegDst[1:0] EXTop[1:0] NPCop[1:0] ALUSrc ALUop[2:0] COMPop[2:0] MemWrite DatatoReg[2:0] 000000 001000 0 XX XX 11 X XXX XXX 0 XXX jal 指令：
功能描述：PC <- (PC[31:28] || instr_immediate || 00); GPR[31] <- PC + 4
op RegWrite RegDst[1:0] EXTop[1:0] NPCop[1:0] ALUSrc ALUop[2:0] COMPop[2:0] MemWrite DatatoReg[2:0] 000011 1 10 XX 10 X XXX XXX 0 010 bne 指令：
功能描述：if (GPR[rs] ≠ GPR[rt]) PC <- PC + 4 + sign_extend(offset||00) else PC <- PC + 4
op RegWrite RegDst[1:0] EXTop[1:0] NPCop[1:0] ALUSrc ALUop[2:0] COMPop[2:0] MemWrite DatatoReg[2:0] 000101 0 XX XX 01 X XXX 101 0 XXX J 指令：
功能描述：PC <- PC[31:28]||immediate||00
op RegWrite RegDst[1:0] EXTop[1:0] NPCop[1:0] ALUSrc ALUop[2:0] COMPop[2:0] MemWrite DatatoReg[2:0] 000010 0 XX XX 10 XX XXX XXX 0 XXX addi 指令：
功能描述：GPR[rt] <- GPR[rs]+ signedextend(immediate)
op RegWrite RegDst[1:0] EXTop[1:0] NPCop[1:0] ALUSrc ALUop[2:0] COMPop[2:0] MemWrite DatatoReg[2:0] 001000 1 01 00 00 1 000 XXX 0 000 slt 指令：
功能描述：GPR[rd] <- (GPR[rs] < GPR[rt])
op func RegWrite RegDst[1:0] EXTop[1:0] NPCop[1:0] ALUSrc ALUop[2:0] COMPop[2:0] MemWrite DatatoReg[2:0] 000000 101010 1 00 XX 00 0 XXX 001 0 011 sll 指令：
功能描述：GPR[rd] <- GPR[rt] << s
功能描述：GPR[rt] <- GPR[rs]+ signedextend(immediate)
op func RegWrite RegDst[1:0] EXTop[1:0] NPCop[1:0] ALUSrc ALUop[2:0] COMPop[2:0] MemWrite DatatoReg[2:0] 000000 000000 1 00 XX 00 0 101 XXX 0 000
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, 100lui 指令：
lui $a2, 123
lui $a3, 0xffff
lui $zero, 123
lui $a1, 0add 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, $t5sub 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, $t5sw 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, $0jal、jr 指令：
ori $t1, $t1, 50
ori $t2, $t2, 6565
ori $t3, $t3, 0
while_begin:
beq $t3, $t1, while_end
jal fun
nop
j while_begin
while_end:
la $s3, end
jr $s3
fun:
addi $t3, $t3, 2
jr $ra
end:
jal end