自己動(dòng)手寫CPU(6)流水線暫停、乘累加減與除法器的實(shí)現(xiàn)

流水線暫停

因?yàn)镺penMIPS設(shè)計(jì)乘累加、乘累減、除法指令在流水線執(zhí)行階段占用多個(gè)時(shí)鐘周期，因此需要暫停流水線，以等待這些多周期指令執(zhí)行完畢。OpenMIPS采用的是一種改進(jìn)的方法:假如位于流水線第n階段的指令需要多個(gè)時(shí)鐘周期，進(jìn)而請(qǐng)求流水線暫停，那么需保持取指令地址PC的值不變，同時(shí)保持流水線第n階段、第n階段之前的各個(gè)階段的寄存器不變，而第n階段后面的指令繼續(xù)運(yùn)行。

為實(shí)現(xiàn)CPU的流水線暫停功能，我們?cè)O(shè)計(jì)添加了CTRL模塊，其作用是接收各階段傳遞過(guò)來(lái)的流水線暫停請(qǐng)求信號(hào)，從而控制流水線各階段的運(yùn)行。CTRL模塊對(duì)譯碼和執(zhí)行階段的暫停請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行判斷，然后輸出流水線暫停信號(hào)stall。下圖是為了實(shí)現(xiàn)流水線暫停機(jī)制而對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所做的修改。具體代碼修改之處見文末的項(xiàng)目鏈接。

指令介紹

乘累加、乘累減指令共有4條，包括: madd、maddu、msub、msubu，各指令的格式如下圖所示。從圖中可知，這4條指令的指令碼都是SPECIAL2，第6~15bit都為0，可以依據(jù)第0～5bit的功能碼確定是哪一種指令。

• 當(dāng)功能碼是6’b000000時(shí)，表示是madd指令，有符號(hào)乘累加運(yùn)算。指令用法為:madd rs, rt。指令作用為:{HI, LO}<-{HI, LO}+ rs x rt，將地址為rs的通用寄存器的值與地址為rt的通用寄存器的值作為有符號(hào)數(shù)進(jìn)行乘法運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果與{HI, LO}相加，相加的結(jié)果保存到{HI, LO}中。此處{HI, LO}表示 HI、LO寄存器連接形成的64位數(shù)，HI是高32位，LO是低32位。
• 當(dāng)功能碼是6’b000001時(shí)，表示是 maddu指令，無(wú)符號(hào)乘累加運(yùn)算。指令用法為:maddu rs, rt。指令作用為: {HI, LO} <- {HI, LO} + rs × rt，將地址為rs的通用寄存器的值與地址為rt的通用寄存器的值作為無(wú)符號(hào)數(shù)進(jìn)行乘法運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果與{HI, LO}相加，相加的結(jié)果保存到{HI,LO}中。
• 當(dāng)功能碼是6’b000100時(shí)，表示是msub指令，有符號(hào)乘累減運(yùn)算。指令用法為:msub rs, rt。指令作用為:{HI, LO}<-{HI,LO} - rs × rt，將地址為rs 的通用寄存器的值與地址為rt的通用寄存器的值作為有符號(hào)數(shù)進(jìn)行乘法運(yùn)算。然后使用{HI,LO}減去乘法結(jié)果，相減的結(jié)果保存到{HI,LO}中。
• 當(dāng)功能碼是6’b000101時(shí)，表示是 msubu指令，無(wú)符號(hào)乘累減運(yùn)算。指令用法為:msubu rs, rt。指令作用為:{HI, LO} <-{HI, LO} - rs × rt，將地址為rs的通用寄存器的值與地址為rt的通用寄存器的值作為無(wú)符號(hào)數(shù)進(jìn)行乘法運(yùn)算。然后使用{HI,LO}減去乘法結(jié)果，相減的結(jié)果保存到{HI,LO}中。

修改之處

實(shí)現(xiàn)思路

乘累加與乘累減指令計(jì)劃在流水線階段采用兩個(gè)時(shí)鐘周期完成運(yùn)算，所以必須要保存兩個(gè)信息：(1)、當(dāng)前是第幾個(gè)時(shí)鐘周期；(2)、乘法結(jié)果。所以O(shè)penMIPS通過(guò)在EX/MEM模塊添加兩個(gè)寄存器cnt、hilo，分別保存上述信息。修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下所示：

1.修改譯碼階段的ID模塊

譯碼階段的ID模塊要添加對(duì)乘累加、乘累減指令的分析，根據(jù)給出的指令格式可知，這4條指令都是 SPECIAL2類指令，可以依據(jù)功能碼確定是哪一種指令。確定指令的過(guò)程如下圖所示。

涉及的宏定義如下(因?yàn)椴簧婕皩?duì)通用寄存器的回寫，所以無(wú)需“_OP”的宏定義)

`define EXE_MADD 6'b000000 `define EXE_MADDU 6'b000001 `define EXE_MSUB 6'b000100 `define EXE_MSUBU 6'b000101

這4條指令的譯碼過(guò)程都是相似的，簡(jiǎn)單說(shuō)明如下。

因?yàn)樽罱K結(jié)果都是寫入HI、LO寄存器，而不是寫入通用寄存器，所以設(shè)置wreg_o為WriteDisable。

因?yàn)槎家x取兩個(gè)寄存器的值，所以設(shè)置regl_read_o、reg2_read_o為1‘b1。默認(rèn)通過(guò)Regfile模塊讀端口1讀取的寄存器地址reg1_addr_o的值是指令的第21_{25bit，正是指令中的rs;默認(rèn)通過(guò)Regfile模塊讀端口⒉讀取的寄存器地址reg2_addr_o的值是指令的第16}20bit，正是指令中的rt;所以最終譯碼階段的輸出reg1_o就是地址為rs 的寄存器的值，reg2_o就是地址為rt的寄存器的值。

運(yùn)算類型alusel_o的值都設(shè)置為EXE_RES_MUL，不過(guò)由于沒(méi)有要寫的通用寄存器。所以此處alusel_o的值并沒(méi)有作用，也可以設(shè)置為EXE_RES_NOP。

運(yùn)算子類型aluop _o的值設(shè)置為與具體的指令對(duì)應(yīng)。

2.修改執(zhí)行階段的EX模塊

計(jì)算從通用寄存器中讀出的兩個(gè)寄存器的乘法結(jié)果，保存在mulres 中。

以乘累加指令為例進(jìn)行講解。乘累減指令與此類似。如果 cnt_i為2’b00，表示是乘累加指令的第一個(gè)執(zhí)行周期，此時(shí)將乘法結(jié)果mulres通過(guò)接口 hilo_temp_o輸出到EX/MEM模塊，以便在下一個(gè)時(shí)鐘周期使用。同時(shí)，設(shè)置變量stallreq_for_madd_msub為Stop，表示乘累加指令請(qǐng)求流水線暫停；如果 cnt _i為 2’b01，表示是乘累加指令的第二個(gè)執(zhí)行周期，此時(shí)EX模塊的輸入hilo_temp_i就是上一個(gè)時(shí)鐘周期得到的乘法結(jié)果，所以將 hilo_temp_i與 HI、LO寄存器的值相加，得到最終的運(yùn)算結(jié)果，保存到變量 hilo_temp1中。同時(shí)，設(shè)置變量stallreq_for_madd_msub為NoStop，表示乘累加指令執(zhí)行結(jié)束，不再請(qǐng)求流水線暫停。最后，設(shè)置cnt_o為2’b10，而不是直接設(shè)置為2’b00，目的是:如果因其他原因?qū)е铝魉€保持暫停，那么由于cnt_o為2’b10，所以EX階段不再計(jì)算，從而防止乘累加指令重復(fù)運(yùn)行。

給出信號(hào)stallreq的值，目前只有乘累加、乘累減指令會(huì)導(dǎo)致流水線暫停，所以stallreq就直接等于變量stallreq for madd msub的值。

由于乘累加、乘累減指令要將最終結(jié)果寫入 HI、LO寄存器，所以在第四段給出了對(duì)HI、LO寄存器的寫信息。

3.修改EX/MEM模塊

增加兩個(gè)輸入接口hilo_i,cnt_i，增加兩個(gè)輸出接口hilo_o,cnt_o，在流水線執(zhí)行階段暫停的時(shí)候，將輸入信號(hào)hilo_i通過(guò)輸出接口hilo_o送出，輸入信號(hào)cnt i通過(guò)輸出接口cnt_o送出。其余時(shí)刻，hilo_o為0，cnt_o也為0。

除法器

采用"試商法"實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算，對(duì)于32位的除法，至少需要32個(gè)時(shí)鐘周期才能得到除法結(jié)果。

實(shí)現(xiàn)思路

新建一個(gè)模塊 DIV，在其中實(shí)現(xiàn)采用試商法的32位除法運(yùn)算。當(dāng)流水線執(zhí)行階段的EX模塊發(fā)現(xiàn)當(dāng)前指令是除法指令時(shí)，首先暫停流水線，然后將被除數(shù)、除數(shù)等信息送到DIV模塊，開始除法運(yùn)算。DIV模塊在除法運(yùn)算結(jié)束后，通知EX模塊，并將除法結(jié)果送到EX模塊，后者依據(jù)除法結(jié)果設(shè)置HI、LO寄存器的寫信息，同時(shí)取消暫停流水線。

修改后的系統(tǒng)部分框圖如下

DIV模塊的主要部分是一個(gè)狀態(tài)機(jī)，共有四個(gè)狀態(tài)

• DivFree:除法模塊空閑；
• DivByZero:除數(shù)是0；
• DivOn:除法運(yùn)算進(jìn)行中；
• DivEnd:除法運(yùn)算結(jié)束；

作者使用的是一段式的狀態(tài)機(jī)，里面阻塞和非阻塞賦值交替使用，對(duì)于我這個(gè)硬件小白來(lái)說(shuō)還是難度太高，我還是老老實(shí)實(shí)用三段式重新實(shí)現(xiàn)了，中間過(guò)程還算有點(diǎn)復(fù)雜，輸出的邏輯既有組合邏輯也有時(shí)序邏輯，好在調(diào)試了一會(huì)之后總算通過(guò)了。

仿真結(jié)果

乘累加、乘累減測(cè)試指令

.org 0x0.set noat.global _start _start:ori $1,$0,0xffff sll $1,$1,16ori $1,$1,0xfffb # $1 = -5ori $2,$0,6 # $2 = 6mult $1,$2 # hi = 0xffffffff# lo = 0xffffffe2madd $1,$2 # hi = 0xffffffff# lo = 0xffffffc4maddu $1,$2 # hi = 0x5# lo = 0xffffffa6msub $1,$2 # hi = 0x5# lo = 0xffffffc4 msubu $1,$2 # hi = 0xffffffff# lo = 0xffffffe2

由波形圖可見，乘累加、乘累減指令實(shí)現(xiàn)正確，同時(shí)觀察到乘累加、乘累減指令都需要兩個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成，且兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的PC值都保持不變。

除法模塊測(cè)試指令

.org 0x0.set noat.global _start _start:ori $2,$0,0xffffsll $2,$2,16ori $2,$2,0xfff1 # $2 = -15ori $3,$0,0x11 # $3 = 17div $zero,$2,$3 # hi = 0xfffffff1,lo = 0x0divu $zero,$2,$3 # hi = 0x00000003,lo = 0x0f0f0f0ediv $zero,$3,$2 # hi = 2,lo = 0xffffffff

實(shí)驗(yàn)心得

執(zhí)行階段的EX模塊對(duì)HI、LO寄存器的寫操作為什么不引入cnt_i來(lái)進(jìn)行判斷呢？即cnt_i=2’b01(執(zhí)行階段的第二個(gè)周期)再加上功能碼的定義來(lái)進(jìn)行對(duì)HI、LO寄存器是否寫入的決策呢？

聯(lián)系前后模塊發(fā)現(xiàn)，EX模塊發(fā)出暫停流水線的請(qǐng)求后，EX_MEM模塊收到來(lái)自EX模塊的暫停流水線請(qǐng)求后就把HI、LO寄存器的寫使能關(guān)閉了，也就是說(shuō)我們?cè)诔死奂印⒊死蹨p的第一階段的寫指令是傳不到HILO寄存器堆的，所以就不用加上cnt_i這個(gè)冗余指令的判斷過(guò)程了。

三段式狀態(tài)機(jī)還需多多訓(xùn)練，多注意時(shí)序上的問(wèn)題，哪些變量在上升沿賦值，哪些變量是組合邏輯賦值。

乘累加、乘累減項(xiàng)目
除法運(yùn)算項(xiàng)目

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的自己动手写CPU(6)流水线暂停、乘累加减与除法器的实现的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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