体系结构 Verilog

[BUAA-CO-Lab] P6 流水线 CPU-lite2

Posted by roife on Wed, Dec 2, 2020

上机总结

  • 第一题：bgezalr

    \begin{aligned} & condition \leftarrow GPR[rs] \ge 0 \\ & GPR[rd] \leftarrow PC + 8 \\ & \operatorname{if}\ condition\ \operatorname{then} \\ & \qquad PC \leftarrow GPR[rt] \\ \end{aligned}

    甚至比 blezalc 还简单一点。

  • 第二题：msub

    \[temp \leftarrow (HI \mid\mid LO) - (GPR[rs] * GPR[rt])\]

    \[HI \leftarrow temp_{63..32}\]

    \[LO \leftarrow temp_{31..0}\]

    标准指令集里面有这个指令。

  • 第三题：lhs

    \begin{aligned} & Addr \leftarrow GPR[base] + \operatorname{signed\_ext}(offset) \\ & memword \leftarrow memory[Addr] \\ & byte \leftarrow Addr_{1..0} \\ & \operatorname{if}\ byte = 0\ \operatorname{then} \\ & \qquad GPR[rt] \leftarrow \operatorname{signed\_ext}(memword_{7..0}) \\ & \operatorname{else}\ \operatorname{if}\ byte = 2\ \operatorname{then} \\ & \qquad GPR[rt] \leftarrow \operatorname{signed\_ext}(memword_{23..16}) \end{aligned}

    应该是这样的，记不太清了。

    可以把它看作是条件写的 lh 或者是 lb。

分析

跳转和存储没什么好说的，都在 P5 里面说过了。所以这里说一下 P6 的计算。

P6 的计算一般是和乘除部件有关，但是其实也不难，这里建议课下做一下 madd、maddu、msub、msubu。

一个坑点在于 madd（或者 msub）里面。如果你的写法是

{temp_hi, temp_lo} <= {hi, lo} + $signed(rs) * $signed(rt);

好像就会出锅，这个具体的原因在 P1 里面讲过了，和 signedness 有关。另外，如果你写的是

{temp_hi, temp_lo} <= {hi, lo} + $signed($signed(rs) * $signed(rt));

也不对，具体也是 P1 里面有讲。正确的写法是：

{temp_hi, temp_lo} <= {hi, lo} + $signed($signed(64'd0) + $signed(rs) * $signed(rt));
// 或者
{temp_hi, temp_lo} <= {hi, lo} + $signed({{32{rs[31]}}, rs[31:0]} * $signed({{32{rt[31]}}, rt[31:0]})); // 手动进行符号位扩展

总之一句话：小心 $signed()。

课下总结

P6 似乎没啥好说的，因为大部分指令我在 P5 里面一起做了。所以这里简单说一下 P6 和 P5 的区别。

做 P6 最重要的还是指令分类，做好指令分类能帮很多忙。我将指令分为以下几类。

  • load：读取 DM
  • save：写入 DM
  • branch：b 类指令
  • calc_r：r 类指令，除了 jr & jalr & 乘除法
  • calc_i：i 类指令，除了 lui
  • md：mult，multu，div，divu
  • mt：mtlo，mthi
  • mf：mflo，mfhi
  • shiftS：sll，srl，sra
  • shiftV：sllv，srlv，srav
  • j_r：jr，jalr
  • j_addr：j，jal
  • j_l：j，jalr

然后对于新增的指令有这几种特殊的：

  • 位移指令：需要修改 ALU 的输入信号，注意看清楚那个 RTL 的描述
  • 跳转指令：直接在 CMP 里面添加跳转方式即可
  • DM 指令：参见 P4 的那篇 blog（与今年的要求不大相同，需要稍微修改）
  • 乘除指令：做一个乘除槽

需要注意的一点是我把 DM 的操作都整合到一个部件里面去了，但是教程里是在 W 级寄存器后面添加了一个 BE 部件进行扩展，这样的好处是关键路径更短，频率可以加快。但是我懒得重写了……

这里着重讲一下乘除指令吧。

乘除槽

乘除指令运算非常慢，所以我们的 CPU 要模拟这种时延（两种乘法延时 5 个周期，两种除法延时 10 个周期）。为了不让乘除法拖慢速度，我们遇到相关指令时让他们进入一个特殊的乘除部件进行运算，其他指令继续执行。如果乘除法正在计算，而我们遇到了新的要用到乘除部件的指令，那么就 stall。

遇到了分析指令我们可以发现，只有 mflo 和 mfhi 是读取乘除部件的指令。而剩下的六个（mult、multu、div、divu、mtlo、mthi）都是要向乘除部件写入数据的指令。而其中又只有（mult、multu、div、divu）会有时延，另外两个直接向 lo 和 hi 写入数据。

在乘除部件中我们有两种信号表示正在运算：

  • busy：部件正在运算乘除法，在乘除部件里面用一个寄存器记录
  • start：部件即将要运算，即当前 E 级的信号是否是四种乘除信号之一

其中 start 是用来应对这种情况：

DEMW
multmultxxxxxx

此时指令进入 E 级，下一个时钟上升沿乘除部件将要进行运算，并且将 busy 设置为 \(1\)。但是此时显然需要 stall。所以我们用一个 start 指令指示要开始乘除运算了，让 E 级的指令被清空，防止下一个时钟上升沿进入下一级。

stall 的条件是 start | busy。

wire stall_HILO = E_HILObusy & (D_md | D_mt | D_mf);

assign stall = stall_rs | stall_rt | stall_HILO;
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