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《计算机组成原理实验》 多周期CPU

2023-11-13

《计算机组成原理实验》 多周期CPU

前言

这是中山大学2018年计算机组成原理实验中多周期CPU的实验报告，仿真与写板的内容暂略，所有源代码（包括写板）已经上传至我的github当中，欢迎大家访问。
github个人主页: https://starashzero.github.io
项目地址: https://github.com/StarashZero/Co-homework

一. 实验目的

  1. 认识和掌握多周期数据通路图的构成、原理及其设计方法；
  2. 掌握多周期CPU的实现方法，代码实现方法；
  3. 编写一个编译器，将MIPS汇编程序编译为二进制机器码；
  4. 掌握多周期CPU的测试方法;
  5. 掌握多周期CPU的实现方法。

二. 实验内容实验的具体内容与要求。
设计一个多周期 CPU，该 CPU 至少能实现以下指令功能操作。指令与格式如下：
==> 算术运算指令

  1. add rd , rs, rt
000000 rs(5 位) rt(5 位) rd(5 位) reserved

功能：rd←rs + rt。reserved 为预留部分，即未用，一般填“0”。
2. sub rd , rs , rt

000001 rs(5 位) rt(5 位) rd(5 位) reserved

功能：rd←rs - rt。
3. addiu rt , rs ,immediate

000010 rs(5 位) rt(5 位) immediate(16 位)

功能：rt←rs + (sign-extend)immediate；immediate 符号扩展再参加“加”运算。

==> 逻辑运算指令
4. andi rt , rs ,immediate

010000 rs(5 位) rt(5 位) immediate(16 位)

功能：rt←rs & (zero-extend)immediate；immediate 做“0”扩展再参加“与”运算。
5. and rd , rs , rt

010001 rs(5 位) rt(5 位) rd(5 位) reserved

功能：rd←rs & rt；逻辑与运算。
6. ori rt , rs ,immediate

010010 rs(5 位) rt(5 位) immediate(16 位)

功能：rt←rs | (zero-extend)immediate；immediate 做“0”扩展再参加“或”运算。
7. xori rt , rs , immediate

010011 rs(5 位) rt(5 位) immediate(16 位)

功能：rt←rs (zero-extend)immediate；immediate 做“0”扩展再参加“异或”运算。

==>移位指令
8. sll rd, rt,sa

011000 未用 rt(5 位) rd(5 位) sa(5 位) reserved

功能：rd<－rt<<(zero-extend)sa，左移 sa 位 ，(zero-extend)sa。

==>比较指令
9. slti rt, rs,immediate 带符号数

100110 rs(5 位) rt(5 位) immediate(16 位)

功能：if (rs< (sign-extend)immediate) rt =1 else rt=0, 具体请看表 2 ALU 运算功能表，带符号。

==> 存储器读/写指令
10. slt rd, rs, rt 带符号

100111 rs(5 位) rt(5 位) rd(5 位) reserved

功能：if (rs<rt) rd =1 else rd=0, 具体请看表 2 ALU 运算功能表，带符号。
11. sw rt ,immediate(rs) 写存储器

110000 rs(5 位) rt(5 位) immediate(16 位)

功能：memory[rs+ (sign-extend)immediate]←rt；immediate 符号扩展再相加。即将rt寄存器的内容保存到rs寄存器内容和立即数符号扩展后的数相加作为地址的内存单元中。
12. lw rt , immediate(rs) 读存储器

110001 rs(5 位) rt(5 位) immediate(16 位)

功能：rt ← memory[rs + (sign-extend)immediate]；immediate 符号扩展再相加。
即读取 rs 寄存器内容和立即数符号扩展后的数相加作为地址的内存单元中的数，然后
保存到 rt 寄存器中。

==> 分支指令
13. beq rs,rt,immediate

110100 rs(5 位) rt(5 位) immediate(16 位)

功能：if(rs=rt) pc←pc + 4 + (sign-extend)immediate <<2 else pc ←pc + 4
特别说明：immediate 是从 PC+4 地址开始和转移到的指令之间指令条数。immediate 符号扩展之后左移 2 位再相加。为什么要左移 2 位？由于跳转到的指令地址肯定是 4 的倍数（每条指令占 4 个字节），最低两位是“00”，因此将 immediate 放进指令码中的时候，是右移了 2 位的，也就是以上说的“指令之间指令条数”。
14. bne rs,rt,immediate

110101 rs(5 位) rt(5 位) immediate(16 位)

功能：if(rs!=rt) pc←pc + 4 + (sign-extend)immediate <<2 else pc ←pc + 4
特别说明：与 beq 不同点是，不等时转移，相等时顺序执行。
15. bltz rs,immediate

110110 rs(5 位) 00000 immediate(16 位)

功能：if(rs<$zero) pc←pc + 4 + (sign-extend)immediate <<2 else pc ←pc + 4。

==>跳转指令
16. j addr

111000 addr[27:2]

功能：pc <－{(pc+4)[31:28],addr[27:2],2’b00}，无条件跳转。
说明：由于 MIPS32 的指令代码长度占 4 个字节，所以指令地址二进制数最低 2 位均为 0，将指令地址放进指令代码中时，可省掉！这样，除了最高 6 位操作码外，还有 26 位可用于存放地址，事实上，可存放 28 位地址，剩下最高 4 位由 pc+4 最高 4 位拼接上。
17. jr rs

111001 rs(5 位) 未用 未用 reserved

功能：pc <－ rs，跳转。
==>调用子程序指令
18. jal addr

111010 addr[27:2]

功能：调用子程序，pc <－ {(pc+4)[31:28],addr[27:2],2’b00}；$31<－pc+4，返回地址设置；子程序返回，需用指令 jr $31。跳转地址的形成同 j addr 指令。

==> 停机指令
19. halt

111111 00000000000000000000000000(26 位)

功能：停机；不改变 PC 的值，PC 保持不变。

三. 实验原理

简述实验原理和方法，必须有数据通路图及相关图。
多周期 CPU 指的是将整个 CPU 的执行过程分成几个阶段，每个阶段用一个时钟去完成，然后开始下一条指令的执行，而每种指令执行时所用的时钟数不尽相同，这就是所谓的多周期 CPU。CPU 在处理指令时，一般需要经过以下几个阶段：

  1. 取指令(IF)：根据程序计数器 pc 中的指令地址，从存储器中取出一条指令，同时， pc 根据指令字长度自动递增产生下一条指令所需要的指令地址，但遇到“地址转移”指令时，则控制器把“转移地址”送入 pc，当然得到的“地址”需要做些变换才送入 pc。
  2. 指令译码(ID)：对取指令操作中得到的指令进行分析并译码，确定这条指令需要完成的操作，从而产生相应的操作控制信号，用于驱动执行状态中的各种操作。
  3. 指令执行(EXE)：根据指令译码得到的操作控制信号，具体地执行指令动作，然后转移到结果写回状态。
  4. 存储器访问(MEM)：所有需要访问存储器的操作都将在这个步骤中执行，该步骤给出存储器的数据地址，把数据写入到存储器中数据地址所指定的存储单元或者从存储器中得到数据地址单元中的数据。
  5. 结果写回(WB)：指令执行的结果或者访问存储器中得到的数据写回相应的目的寄存器中。

实验中就按照这五个阶段进行设计，这样一条指令的执行最长需要五个(小)时钟周期才能完成，但具体情况怎样？要根据该条指令的情况而定，有些指令不需要五个时钟周期的，
在这里插入图片描述

MIPS 指令的三种格式：
在这里插入图片描述
其中， op：为操作码；
rs：为第 1 个源操作数寄存器，寄存器地址（编号）是 0000011111，001F；
rt：为第 2 个源操作数寄存器，或目的操作数寄存器，寄存器地址（同上）；
rd：为目的操作数寄存器，寄存器地址（同上）；
sa：为位移量（shift amt），移位指令用于指定移多少位；funct：为功能码，在寄存器类型指令中（R 类型）用来指定指令的功能；
immediate：为 16 位立即数，用作无符号的逻辑操作数、有符号的算术操作数、数据加载（Load）/数据保存（Store）指令的数据地址字节偏移量和分支指令中相对程序计数器（PC）的有符号偏移量；
address：为地址。
在这里插入图片描述
图 2 多周期 CPU 状态转移图
状态的转移有的是无条件的，例如从 sIF 状态转移到 sID 就是无条件的；有些是有条件的，例如 sEXE 状态之后不止一个状态，到底转向哪个状态由该指令功能，即指令操作码决定。每个状态代表一个时钟周期。
在这里插入图片描述
图 3 多周期 CPU 控制部件的原理结构图
图 3 是多周期 CPU 控制部件的电路结构，三个 D 触发器用于保存当前状态，是时序逻辑电路，RST 用于初始化状态“000“，另外两个部分都是组合逻辑电路，一个用于产生下一个阶段的状态，另一个用于产生每个阶段的控制信号。从图上可看出，下个状态取决于指令操作码和当前状态；而每个阶段的控制信号取决于指令操作码、当前状态和反映运算结果的状态 zero 标志和符号 sign 标志。
在这里插入图片描述
图 4 多周期 CPU 数据通路和控制线路图

图4是一个简单的基本上能够在多周期CPU上完成所要求设计的指令功能的数据通路和必要的控制线路图。其中指令和数据各存储在不同存储器中，即有指令存储器和数据存储器。访问存储器时，先给出内存地址，然后由读或写信号控制操作。对于寄存器组，给出寄存器地址（编号），读操作时不需要时钟信号，输出端就直接输出相应数据；而在写操作时，在 WE 使能信号为 1 时，在时钟边沿触发将数据写入寄存器。图中控制信号功能如表 1 所示，表 2 是 ALU 运算功能表。
特别提示，图上增加 IR 指令寄存器，目的是使指令代码保持稳定，pc 写使能控制信号PCWre，是确保 pc 适时修改，原因都是和多周期工作的 CPU 有关。ADR、BDR、ALUoutDR、DBDR 四个寄存器不需要写使能信号，其作用是切分数据通路，将大组合逻辑切分为若干个小组合逻辑，大延迟变为多个分段小延迟。
表 1 控制信号作用

控制信号名 状态“0” 状态“1”
RST 对于 PC，初始化 PC 为程序首地址 对于 PC，PC 接收下一条指令地址
PCWre PC 不更改，相关指令：halt，另外，除‘000’状态之外，其余状态慎改 PC 的值。 PC 更改，相关指令：除指令 halt 外，另外，在‘000’状态时，修改 PC 的值合适。
ALUSrcA 来自寄存器堆 data1 输出，相关指令：add、sub、addiu、and、andi、 ori、xori、slt、slti、sw、lw、beq、 bne、bltz 来自移位数 sa，同时，进行(zero-extend)sa，即 { {27{1’b0},sa}}，相关指令：sll
ALUSrcB 来自寄存器堆 data2 输出，相关指令：add、sub、and、slt、sll、 来自 sign 或 zero 扩展的立即数，相关指令：addiu、andi、ori、xori、slti、beq、bne、bltz lw、sw
DBDataSrc 来自 ALU 运算结果的输出，相关指令：add、sub、addiu、and、andi、 ori、xori、sll、slt、slti 来自数据存储器（Data MEM）的输出，相关指令：lw
RegWre 无写寄存器组寄存器，相关指令： beq、bne、bltz、j、sw、jr、halt 寄存器组寄存器写使能，相关指令：add、sub、addiu、and、andi、ori、 xori、sll、slt、slti、lw、jal
WrRegDSrc 写入寄存器组寄存器的数据来自pc+4(pc4），相关指令：jal，写$31 写入寄存器组寄存器的数据来自 ALU 运算结果或存储器读出的数据，相关指令：add、addiu、sub、and、andi、 ori、xori、sll、slt、slti、lw
InsMemRW 写指令存储器 读指令存储器(Ins. Data）
mRD 存储器输出高阻态 读数据存储器，相关指令：lw
mWR 无操作 写数据存储器，相关指令：sw
IRWre IR(指令寄存器)不更改 IR 寄存器写使能。向指令存储器发出读指令代码后，这个信号也接着发出，在时钟上升沿，IR 接收从指令存储器送来的指令代码。与每条指令都相关。
ExtSel (zero-extend)immediate，相关指令：andi、xori、ori； (sign-extend)immediate，相关指令： addiu、slti、lw、sw、beq、bne、 bltz；
PCSrc[1…0] 00：pc<－pc+4，相关指令：add、addiu、sub、and、andi、ori、xori、 slt、slti、sll、sw、lw、beq(zero=0)、bne(zero=1)、bltz(sign=0)；
01：pc<－pc+4+(sign-extend)immediate ×4，相关指令：beq(zero=1)、bne(zero=0)、bltz(sign=1)； 10：pc<－rs，相关指令：jr；
11：pc<－{pc[31:28],addr[27:2],2’b00}，相关指令：j、jal；
RegDst[1…0] 写寄存器组寄存器的地址，来自：
00：0x1F($31)，相关指令：jal，用于保存返回地址（$31<-pc+4）；
01：rt 字段，相关指令：addiu、andi、ori、xori、slti、lw；
10：rd 字段，相关指令：add、sub、and、slt、sll；
11：未用；

ALUOp[2…0] ALU 8 种运算功能选择(000-111)，看功能表
相关部件及引脚说明：

Instruction Memory：指令存储器

  1. Iaddr，指令地址输入端口
  2. DataIn，存储器数据输入端口
  3. DataOut，存储器数据输出端口
  4. RW，指令存储器读写控制信号，为 0 写，为 1 读

Data Memory：数据存储器

  1. Daddr，数据地址输入端口
  2. DataIn，存储器数据输入端口
  3. DataOut，存储器数据输出端口
  4. /RD，数据存储器读控制信号，为 0 读
  5. /WR，数据存储器写控制信号，为 0 写

Register File：寄存器组

  1. Read Reg1，rs 寄存器地址输入端口 Read Reg2，2. rt 寄存器地址输入端口
  2. Write Reg，将数据写入的寄存器，其地址输入端口（rt、rd）
  3. Write Data，写入寄存器的数据输入端口
  4. Read Data1，rs 寄存器数据输出端口 Read Data2，rt 寄存器数据输出端口
  5. WE，写使能信号，为 1 时，在时钟边沿触发写入

IR： 指令寄存器，用于存放正在执行的指令代码

ALU： 算术逻辑单元

  1. result，ALU 运算结果
  2. zero，运算结果标志，结果为 0，则 zero=1；否则 zero=0
  3. sign，运算结果标志，结果最高位为 0，则 sign=0，正数；否则，sign=1，负数

表 2 ALU 运算功能表

ALUOp[2…0] 功能 描述
000 Y = A + B 加
001 Y = A – B 减
010 Y = B<<A B 左移 A 位
011 Y = A ∨ B 或
100 Y = A ∧ B 与
101 Y=（A<B）?1: 0 比较 A<B 不带符号
110 Y=(((A<B)&&(A[31] == B[31])) ||((A[31]==1&& B[31] == 0))) ? 1:0 比较 A<B 带符号
111 Y = A ⊕ B 异或

四. 实验器材

电脑一台，Xilinx Vivado 软件一套，Basys3板一块。

五. 实验过程与结果

  1. 简易MIPS编译器
    实现MIPS首先我将所有的指令按R,I,J型进行分类，方便主程序进行后续的判断和读取
vector<string> rIns = {
   "add","sub","and","slt","sll","jr"};
vector<string> iIns = {
   "addiu","andi","ori","xori","slti","sw","lw","beq","bne","bltz"};
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