P8 MIPS 微系统设计文档
一、主存地址分配
P8 中主存中有许多部分，包括数据存储器，指令存储器，定时器，UART，数码管，拨码开关，按键开关，LED，下表是他们在主存的地址分配
| 外设名称 | 地址范围 | 类型 |
|---|---|---|
| DM | 0x0000-0x2FFF | 可读可写 |
| IM | 0x3000-0x6FFF | 可读 |
| 定时器 | 0x7F00-0x7F0B | 可读可写 |
| UART | 0x7F30-0x7F3F | 可读可写 |
| 数码管 | 0x7F50-0x7F57 | 只写 |
| 拨码开关 | 0x7F60-0x7F67 | 只读 |
| 按键开关 | 0x7F68-0x7F6B | 只读 |
| LED | 0x7F70-0x7F73 | 只写 |
二、外设模块
2.1 UART
UART 协议是典型的串行通信协议，数据传输时每一比特位依次发送 / 接收。UART 协议规定空闲时信号线为高电平，因此可以通过电平的变化（由高到低）来指示信号传输的开始，同时传输双方约定好一次传输中比特的个数和每个比特的持续时间（波特率）来定位传输的结束。这种传输对于传输双方的时间同步性有一定要求，因而不宜一次性传输过多数据。同时，UART 协议为全双工通信协议，有两根 1 位的互不干扰的单向的传输线，因而传输双方间应将发送端口和接收端口交错相连，即设备 A 的 TX 应连至设备 B 的 RX，B 的 TX 连至 A 的 RX。
UART 模块包括三个子模块：uart_rx、uart_tx、uart_count
- uart_count: 该模块用作计时模块。由于 UART 数据传输受波特率限制，在 P8 中波特率一般设置为 9600，即每秒发送 9600 个 bit （可以是开始位、数据位或停止位），时钟频率为 25MHZ，故计算可知，每一个 bit 发送时需要保持 2604 个时钟周期, uart_count 则是完成这一部分功能。
- uart_rx: 作为微处理器接收串口数据的模块，根据协议接收数据，并且在完成一个完整字节接收以后产生 ready 信号作为外部中断信号交到 CP0 处理
- uart_tx: 作为微处理器向串口发送数据，把它的 avai 信号绑定给 state 寄存器的 0 号位，用于 CPU 读取识别是否可以继续发送数据
| 端口 | 方向 | 功能 |
|---|---|---|
| clk | input | 时钟控制信号 |
| reset | input | 复位信号 |
| WE | input | 写使能信号 |
| addr | input[31:0] | CPU 读写外设地址 |
| WD | input[31:0] | CPU 写外设数据 |
| rxd | input | 来自串口的字节数据 |
| txd | output | 输出到串口的字节数据 |
| RD | ouput[31:0] | CPU 从 UART 的寄存器读出的数据 |
| interrupt | output | 中断请求信号，绑定 rx_ready 信号 |
2.2 GPIO
通用 IO 包括三个部分，分别是按键开关，拨码开关，32 位 LED 灯。其中按键开关是对实现功能的选择，拨码开关输入两个 32 位源操作数，LED 灯是一种输出外设，输出功能计算结果。
KEY：
| 端口 | 方向 | 功能 |
|---|---|---|
| clk | input | 时钟信号 |
| reset | input | 复位信号 |
| key_in | input[7:0] | 8位按键信号 |
| key_out | output[31:0] | 32位拓展按键信号 |
DipSwitch：
| 端口 | 方向 | 功能 |
|---|---|---|
| clk | input | 时钟信号 |
| reset | input | 复位信号 |
| addr | input[31:0] | CPU 读写外设地址 |
| switch0 | input[7:0] | 第0组拨码开关数据 |
| switch1 | input[7:0] | 第1组拨码开关数据 |
| switch2 | input[7:0] | 第2组拨码开关数据 |
| switch3 | input[7:0] | 第3组拨码开关数据 |
| switch4 | input[7:0] | 第4组拨码开关数据 |
| switch5 | input[7:0] | 第5组拨码开关数据 |
| switch6 | input[7:0] | 第6组拨码开关数据 |
| switch7 | input[7:0] | 第7组拨码开关数据 |
| RD | output[31:0] | CPU 读数据 |
LED：
| 端口 | 方向 | 功能 |
|---|---|---|
| clk | input | 时钟信号 |
| reset | input | 复位信号 |
| byteen | input[3:0] | 字节使能信号 |
| WD | input[31:0] | CPU 写数据 |
| led_light | output[31:0] | LED 灯控制信号 |
2.3 DigitalTube
数码管输出模块，用于控制九位八段数码管，其中最高一个数码管始终熄灭。
| 端口 | 方向 | 功能 |
|---|---|---|
| clk | input | 时钟信号 |
| reset | input | 复位信号 |
| byteen | input[3:0] | 字节使能信号 |
| Addr | input[31:0] | CPU 读写外设地址 |
| WD | input[31:0] | CPU 写外设数据 |
| digital_tube0 | output[7:0] | 第 0 组数码管控制信号 |
| digital_tube1 | output[7:0] | 第 1 组数码管控制信号 |
| digital_tube2 | output[7:0] | 第 2 组数码管控制信号 |
| digital_tube_sel0 | output[3:0] | 第 0 组数码管选择信号 |
| digital_tube_sel1 | output[3:0] | 第 1 组数码管选择信号 |
| digital_tube_sel2 | output | 第 2 组数码管选择信号 |
三、CPU 的修改：
P8 的 CPU 相比 P7 需要做一些修改，包括实现与更多外设的交互，适应 IP 核的同步读特点，实现可综合的乘除器。
3.1 更多外设交互
为了和更多外设交互，CPU 的异常判断需要做调整，我的做法是直接屏蔽一部分异常，原因是内部指令是自己实现的，保证无异常即可，在 CU 内部译码出一个信号，告诉 CPU 该指令在任何阶段都不应发生异常，这在 P7 中已实现，仅做一部分修改即可。
其次，为了能够保证 UART 接受数据时可以及时读取保存，需要增加对 UART 中断的响应。
3.2 可综合的乘法器
由于课程组已经提供了乘法器原码，所以只需在此基础上做一部分调整即可。
| 端口 | 方向 | 功能 |
|---|---|---|
| clk | input | 时钟信号 |
| reset | input | 复位信号 |
| in_valid | input | 计算请求信号 |
| in_src0 | input[31:0] | 操作数 0 |
| in_src1 | input[31:0] | 操作数 1 |
| in_op | input[1:0] | 0：IDLE、1：MUL、2：DIV |
| in_sign | input | 0：无符号计算、1：有符号计算 |
| out_ready | input | 后级模块是否接受信号标记 |
| out_valid | output | 输出计算有效 |
| in_ready | output | 乘除器空闲信号 |
| out_res0 | output[31:0] | LO |
| out_res1 | output[31:0] | HI |
为了保证相关功能的正确性，我做了如下调整：
- 在乘除器模块外部接入寄存器，保存 HI，LO 的数据，原因在于乘除模块即便在没有运算情况下，HI，LO的数据都会置零，无法保存，因此需要额外加寄存器，另一方面是，乘除模块无法实现 mthi，mtlo 的功能，因此将 mt 信号和 out_valid 信号作为新增寄存器的使能信号。
- 把原先乘除控制信号 MDUop 再翻译出 in_sign, in_op 接入乘除器。
- 将 start，busy 信号按正确方式分别连接 in_valid、in_ready 端口。
3.3 同步读功能
由于 IP core 的读出操作也是同步的，和以往 Project 有很大不同，需要我们对此修改 CPU 的部分细节。这也是整个 CPU 修改中的核心部分，也是我个人认为比较困难的部分。
该部分需要做两方面调整：
- 指令存储器部分：由于取值在 F 级实现，而 FD 寄存器又有很多控制信号对 F_instr 做修改才流水到 D_instr, 也就是从同步读的 IM 读出的指令不一定是D_instr 的期望数据。因此需要从两个信号中做选择，一个是 IM_RD，另一个是通过流水线寄存器修改得到的信号，比如 M 级出现 req 时这个信号就是 nop。而控制两个信号的选择信号必须在时钟周期内稳定，否则 D_instr 会在一个时钟内部发生改变，出现难以预料的结果。所以这个信号也是从流水线寄存器上流下来的。
- 数据存储器部分：相比指令存储器，数据存储器的处理就比较简单，因为读出的数据并不需要修正，直接短接到流水线寄存器相应端口即可。但是需要注意的是，从外设包括 DM 等读入的数据要经过 BE 模块的拓展，这里就要修改 BE 的控制信号为 W 级指令的控制信号，因为读出数据时已是下一个时钟上升沿之后，此时 load 指令已经流水到 W 级了，如果还用 M 级指令的控制信号的话，数据扩展会出现错误。
四、汇编程序
完成微系统要求功能的 MIPS 汇编程序（自认为是整个 P8 最烦人的部分）。
assembly
#### initial $a1 - $a2
####
####
.text 0x3000
nop # Timer --- control:0x7f00 present:0x7f04 count:0x7f08
nop # UART --- Data:0x7f30 State:0x7f34
nop # Digital Tube---- 0x7f50
nop # DipSwitch --- Team 0-3:0x7f60 Team 4-7:0x7f64
nop # Key --- 0x7f68
nop # LED --- 0x7f70
initial:
addi $a1, $0, -1
sw $a1, 0($0)
sw $a1, 4($0)
sw $a1, 8($0)
sw $a1, 12($0)
addi $a1, $0, 25000000
sw $a1, 0x7f04($0)
addi $a1, $0, 0x1401
mtc0 $a1, $12
input:
addi $a1, $0, 0
sw $a1, 0x7f00($0) # disable Timer
lw $s0, 0x7f68($0) # $s0 = key
lw $s1, 0x7f60($0) # $s1 = group 0-3
lw $s2, 0x7f64($0) # $s2 = group 4-7
sw $s0, 0($0) # keep key
sw $s1, 4($0) # keep group 0-3
sw $s2, 8($0) # keep group 4-7
andi $t0, $s0, 1
beq $t0, $0, Calculator
nop
###########################
###########################
Counter:
andi $t0, $s0, 4
bne $t0, $0, Counter2
nop
Counter1: # add count
addi $s3, $0, 0
addi $v1, $0, 1
loop_Counter1:
lw $s0, 0x7f68($0) # $s0 = key
lw $s1, 0x7f60($0) # $s1 = group 0-3
lw $s2, 0x7f64($0) # $s2 = group 4-7
lw $t0, 0($0)
lw $t1, 4($0)
lw $t2, 8($0)
bne $s0, $t0, input
nop
bne $s1, $t1, input
nop
bne $s2, $t2, input
nop
if_Counter1:
bne $s1, $s3, if_Counter1_end
nop
sw $0, 0x7f00($0) # disable Timer
if_Counter1_end:
jal output
nop
addi $a1, $0, 0xb
sw $a1, 0x7f00($0)
jal loop_Counter1
nop
################################
################################
Counter2: # sub count
add $s3, $0, $s1
addi $v1, $0, -1
loop_Counter2:
lw $s0, 0x7f68($0) # $s0 = key
lw $s1, 0x7f60($0) # $s1 = group 0-3
lw $s2, 0x7f64($0) # $s2 = group 4-7
lw $t0, 0($0)
lw $t1, 4($0)
lw $t2, 8($0)
bne $s0, $t0, input
nop
bne $s1, $t1, input
nop
bne $s2, $t2, input
nop
if_Counter2:
bne $s3, $0, if_Counter2_end
nop
sw $0, 0x7f00($0) # disable Timer
if_Counter2_end:
jal output
nop
addi $a1, $0, 0xb
sw $a1, 0x7f00($0)
jal loop_Counter2
nop
######################
######################
Calculator:
andi $t0, $s0, 4
bne $t0, $0, add
nop
andi $t0, $s0, 8
bne $t0, $0, sub
nop
andi $t0, $s0, 16
bne $t0, $0, mult
nop
andi $t0, $s0, 32
bne $t0, $0, div
nop
andi $t0, $s0, 64
bne $t0, $0, and
nop
andi $t0, $s0, 128
bne $t0, $0, or
nop
jal default
nop
add:
add $s3, $s2, $s1
jal Calculator_end
nop
sub:
sub $s3, $s2, $s1
jal Calculator_end
nop
mult:
mult $s2, $s1
mflo $s3
jal Calculator_end
nop
div:
div $s2, $s1
mflo $s3
jal Calculator_end
nop
and:
and $s3, $s2, $s1
jal Calculator_end
nop
or:
or $s3, $s2, $s1
jal Calculator_end
nop
default:
nop
Calculator_end:
jal output
nop
jal input
nop
#######################
#######################
output:
lw $t3, 12($0)
if_output:
bne $t3, $s3, if_output_end
nop
jr $ra
nop
if_output_end:
sw $s3, 12($0)
andi $t0, $s0, 2
bne $t0, $0, output_UART
nop
output_LED:
sw $s3, 0x7f70($0)
sw $s3, 0x7f50($0)
jr $ra
nop
output_UART:
lb $t3, 15($0)
loop_UART1:
lw $t4, 0x7f34($0)
beq $t4, $0, loop_UART1
nop
sb $t3, 0x7f32($0)
nop
nop
nop
lb $t3, 14($0)
loop_UART2:
lw $t4, 0x7f34($0)
beq $t4, $0, loop_UART2
nop
sb $t3, 0x7f32($0)
nop
nop
nop
lb $t3, 13($0)
loop_UART3:
lw $t4, 0x7f34($0)
beq $t4, $0, loop_UART3
nop
sb $t3, 0x7f32($0)
nop
nop
nop
lb $t3, 12($0)
loop_UART4:
lw $t4, 0x7f34($0)
beq $t4, $0, loop_UART4
nop
sb $t3, 0x7f32($0)
jr $ra
nop
.ktext 0x4180
mfc0 $v0, $13
andi $t4, $v0, 0x1000
bne $t4, $0, handler_UART
nop
handler_Counter:
add $s3, $s3, $v1
eret
nop
handler_UART:
lb $s4, 0x7f30($0)
loop_handler_UART:
lw $t4, 0x7f34($0)
beq $t4, $0, loop_handler_UART
nop
sb $s4, 0x7f32($0)
loop_handler_UART_end:
eret
nop