BUAA-CO P3设计文档

Splitter模块

Sig	Type	Descript
Instr[31:0]	Output	当前指令
opcode	Output	Instr[31:26]
rs	Output	Instr[25:21]
rt	Output	Instr[20:16]
rd	Output	Instr[13:11]
	Output	Instr[10:6]
func	Output	Instr[5:0]
offset/imm	Output	Instr[15:0]
base	Output	Instr[25:21]

美化电路用，~~Logisim自带Splitter太丑了~~

Controller模块

Sig	Type	Descript
opcode[5:0]	Input
func[5:0]	Input
RegWrite	Output	GRF写使能
RegDst	Output	选择寄存器rt（0）/rd（1）
ALUsrc	Output	ALU选择寄存器（0）/立即数（1）
Branch	Output	跳转指令信号
MemWrite	Output	内存写使能
MemtoReg	Output	选择输出
EXTOp[1:0]	Output	位拓展模式信号
ALUOp[2:0]	Output	ALU模式信号

opcode与func解析真值表


	func	100000	100010	null	null	null	null	null
	op	000000	000000	001101	100011	101011	000100	001111
Command		add	sub	ori	lw	sw	beq	lui
RegWrite		1	1	1	1	0	0	1
RegDst		1	1	0	0	0	0	0
ALUsrc		0	0	1	1	1	0	1
Branch		0	0	0	0	0	1	0
MemWrite		0	0	0	0	1	0	0
MemtoReg		0	0	0	1	0	0	0
EXTOp[1:0]		00	00	00	01	01	01	10
ALUOp[2:0]		000	001	010	000	000	001	010

Controller模块可分为and-logic模块（真值表前三行，用于将opcode与func和指令联系）与or-logic模块（真值表其余部分，用于将指令和控制信号联系）

ALU模块

ALU模式	ALUOp[2:0]
加法	000
减法	001
或	010
和	011
左移	100
	101
	110
	111

使用3bit选择MUX选择ALU运算结果，为便于日后拓展功能，将ALUOp设置为3位

EXT模块

EXT模式	EXTOp[1:0]
零扩展	00
符号扩展	01
移位至高16位	10
	11

零扩展用于在lw/sw/beq指令中将立即数扩展为32位
移位至高16位用于lui指令

IFU模块

Sig	Type	Descript
clk	Input	时钟信号
reset	Input	异步复位信号
Branch	Input	跳转指令信号
equal	Input	相等信号
imm[31:0]	Input	输入立即数
PC	Output	记录当前指令地址
Instr	Output	从ROM中Addr处提取指令

beq = Branch && equal
- beq == 0时，PC = PC + 4，
- beq == 1时，Addr = Addr + 4 + (imm<<2)
既然ROM中0地址对应PC中的0x00003000，且只需要用到12位，只需用分线器提取PC中的[11:2]即可作为ROM的取地信号
- 不取[31:12]原因：指令地址只可能存在于0x00003000与0x00003FFF之间
- 不取[1:0]原因：一行指令占据空间为4字节

DM模块

Sig	Type	Descript
Addr[31:0]	Input
Data[31:0]	Input
WE	Input	RAM写使能信号
clk	Input	时钟信号
RE	Input	RAM读使能信号
reset	Input	异步复位信号
MemtoReg	Input	输出选择
RegData	Output	RAM数据

MemtoReg == 0时，将ALU结果写入寄存器
MemtoReg == 1时，将内存中数据写入寄存器

测试方案

.text
main:
    lui     $t0, 0x1234
    ori     $t0, $t0, 0x5678
    lui     $t1, 0x0001
    ori     $t1, $t1, 0xffff
    ori     $t2, $0, 0x00ff
    ori     $t3, $0, 0
    ori     $t4, $0, 5
    ori     $t5, $0, 10
    lui     $t6, 0xffff
    ori     $t6, $t6, 0xfff0
    lui     $t7, 0xffff
    ori     $t7, $t7, 0xfff8

    add     $s0, $t3, $t4
    add     $s1, $t4, $t5
    add     $s2, $t6, $t7
    add     $s3, $t1, $t2
    add     $s4, $t0, $t2
    add     $0, $t4, $t5

    sub     $s5, $t3, $t4
    sub     $s6, $t5, $t6
    sub     $s7, $t1, $t2
    sub     $t3, $t2, $t2
    sub     $0, $t5, $t4

    sw      $s1, -4($sp)
    lw      $t1, -4($sp)
    sw      $s6, -8($sp)
    lw      $t2, -8($sp)
    
    sw      $s5, -12($sp)
    lw      $t4, -12($sp)
    
    sw      $s7, -16($sp)
    lw      $0, -16($sp)

    beq     $s0, $t4, eq1
    nop
eq1:
    beq     $s1, $t1, eq2
    nop
eq2:
    beq     $0, $0, forward
    nop
forward:
    ori     $t6, $0, 10
loop:
    ori     $t8, $0, 1
    sub     $t6, $t6, $t8
    beq     $t6, $t3, exit
    nop
    beq     $0, $0, loop
    nop
exit:
    nop

思考题

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：IFU,DM,GRF
- 状态转移：ALU,CU,EXT
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，IM中只需要读取外部导入指令；DM中需要随时在内存中存取数据；GRF中只需在每个寄存器中临时存取一个32位数据。
- 能否设计更加高速的存储模块以进一步提高效率？
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。
- 还设计了Splitter模块，用于将IM输出的指令分离成各个模块所需的部分，使顶层设计看上去更简洁
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等价于sll $zero,$zero,0,没有使处理器中任何一个寄存器产生变化，但是需要让 ALU 的 0 码有对应操作，否则含 x 结果无法运行
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。
- 总体：缺少sub指令的测试
- 单一指令覆盖情况：
  - add缺少最大值
  - ori缺少随机值
  - lui缺少0
  - lw/sw偏移量未考虑负数
  - lw没有尝试向$0赋值
  - beq没有跳转至当前指令或之前指令