P3学习总结
P3 LogisimCPU设计文档
Logisim单周期CPU设计文档
(一)CPU设计要求
32位单周期CPU
支持指令{add，sub，lw，sw，lui，beq，nop}
(二)关键模块设计
ALU
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| SrcA[31:0] | I | 32位输入信号，第一个操作数A |
| SrcB[31:0] | I | 32位输入信号，第二个操作数B |
| ALUControl[2:0] | I | 3位输入信号，选择ALU的功能 000 : SrcA + SrcB 001 : SrcA - SrcB 010 : A | B 011 : A & B 100 : A>>B 101 : $signed(A)>>>B 110 : A<B 置1 |
| Equal | O | 1位输出信号，标志A,B是否相等 A=B置Equal=1 |
| Less | O | 1位输出信号，标志A是否小于B A<B置Less=1 |
| ALUResult[31:0] | O | 32位输出信号，输出运算结果 |
GRF
模块定义
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| clk | I | 时钟信号 |
| reset | I | 复位信号，将32个寄存器中的值全部清零 1：复位 0：无效 |
| WE | I | 写使能信号 1：可向GRF中写入数据 0：不能向GRF中写入数据 |
| A1[4:0] | I | 5位地址输入信号，指定32个寄存器中的一个，将其中存储的值读出到RD1 |
| A2[4:0] | I | 5位地址输入信号，指定32个寄存器中的一个，将其中存储的值读出到RD2 |
| A3[4:0] | I | 5位地址输入信号，指定32个寄存器中的一个作为写入的目标寄存器 |
| WD[31:0] | I | 32位数据输入信号 |
| RD1[31:0] | O | 输出A1指定的寄存器的32位数据 |
| RD2[31:0] | O | 输出A2指定寄存器中的32位数据 |
功能定义
| 序号 | 功能名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 复位 | reset信号有效是，所有寄存器存储的数值清零 |
| 2 | 读数据 | 读出A1，A2地址对应寄存器中所存储的数据到RD1，RD2 |
| 3 | 写数据 | 当WE有效且时钟上升沿来临时，将WD写入A3对应的寄存器中 |
DM
模块定义
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| clk | I | 时钟信号 |
| Reset | I | 复位信号，将RAM中的值全部清零 1：复位 0：无效 |
| WE | I | 写使能信号 1：可向GRF中写入数据 0：不能向GRF中写入数据 |
| WD[31:0] | I | 32位数据输入信号，要写入的数据 |
| A[31:0] | I | 32位输入信号，指定RAM中的的一个地址 |
| DMop[1:0] | I | 2位输入信号，用于lb，lh等特殊指令 00 ：正常读写，lw，sw 01 ：用于lh和sh，根据WE选择进行哪一条指令 10 ：用于lb和sb，根据WE选择进行哪一条指令 |
| RD[31:0] | O | 32位输出信号，读出A指定的地址中的数据 |
功能定义
| 序号 | 功能名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 复位 | reset信号有效是，RAM所有地址存储的数值清零 |
| 2 | 读数据 | 读出A指定的地址的所存储的数据到RD |
| 3 | 写数据 | 当WE有效且时钟上升沿来临时，将WD写入A对应的地址中 |
EXT
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| Imm[15:0] | I | 15位输入立即数 |
| EXTop | I | 功能选择信号 0：Imm无符号拓展到32位 1：Imm符号位拓展到32位 |
| EXTImm[31:0] | O | 32位输出信号，输出Imm拓展之后的数 |
NPC
模块定义
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| PC[31:0] | I | 32位输入信号，当前指令的地址 |
| NPCop[1:0] | I | 两位控制信号，控制NPC的的值 00：PC←PC+4 01：PC←PC31…28||instr_index||02 10：PC←PC + 4 + sign_extend(offset||02) 11：PC←GPR[rs] |
| instr_index[26:0] | I | 26位输入信号，用于PC的计算 |
| offset[16:0] | I | 16位输入信号，PC的偏移量 |
| Reg[32:0] | I | 32位输入信号，用于寄存器地址的跳转 |
| Branchop[2:0] | I | 用于指示进行何种跳转判断 000 : 判断equal 001 : 判断n_equal 010 : 判断less 011 : 判断big 100 : 判断less or equal 101 : 判断big or equal |
| equal | I | 用于指示ALU两端数据是否SrcA=SrcB |
| n_equal | I | 用于指示ALU两端数据是否SrcA!=SrcB |
| less | I | 用于指示ALU两端数据是否SrcA<SrcB |
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| big | I | 用于指示ALU两端数据是否SrcA>rcB |
| less or equal | I | 用于指示ALU两端数据是否SrcA<=SrcB |
| big or equal | I | 用于指示ALU两端数据是否SrcA>=SrcB |
| NPC[31:0] | O | 32位输出，输出下一条指令的地址 |
功能定义
| 序号 | 功能名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 计算PC的下一个值 | 两位控制信号，控制NPC的的值 00：PC←PC+4 01：PC←PC31…28||instr_index||02 10： 结合equal,n_equal,less,big,big or equal,less or equal判断是否需要跳转 PC←PC + 4 + sign_extend(offset||02) 11：PC←GPR[rs] |
IFU
模块定义
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| clk | I | 时钟信号 |
| Reset | I | 异步复位信号 |
| NPCop[1:0] | I | 两位控制信号，控制NPC的的值 00：PC←PC+4 01：PC←PC31…28||instr_index||02 10：PC←PC + 4 + sign_extend(offset||02) 11：PC←GPR[rs] |
| instr_index[26:0] | I | 26位输入信号，用于PC的计算 |
| offset[16:0] | I | 16位输入信号，PC的偏移量 |
| Reg[32:0] | I | 32位输入信号，用于寄存器地址的跳转 |
| Branchop[2:0] | I | 用于指示进行何种跳转判断 000 : 判断equal 001 : 判断n_equal 010 : 判断less 011 : 判断big 100 : 判断less or equal 101 : 判断big or equal |
| equal | I | 用于指示ALU两端数据是否SrcA=SrcB |
| less | I | 用于指示ALU两端数据是否SrcA<SrcB |
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| Instr[31:0] | O | 32为输出信号，输出当前要执行的指令 |
| PC[31:0] | O | 32位输出信号，当前PC的地址 |
CTRL
模块定义
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| OP[5:0] | I | 6位输入信号，指令操作码 |
| Func[6:0] | I | 6位输入信号，指令的func段 |
| RegDst[1:0] | O | GRFA3输入端控制信号 00 : A3←Instr20…16 01 : A3←Instr15…11 11 : A3←0x1f |
| RegWrite | O | 寄存器写入控制信号 0 : 不能向GRF写入 1 : 可以向GRF写入 |
| EXTop | O | 功能选择信号 0：Imm无符号拓展到32位 1：Imm符号位拓展到32位 |
| ALUsrc[1:0] | O | ALUSrcB输入控制信号 00 : SrcB←RD2 01 : SrcB←EXTImm 10 : SrcB←sll指令的s SrcA←RD2 |
| ALUctrl[2:0] | O | 3位输出信号，选择ALU的功能 000 : SrcA + SrcB 001 : SrcA - SrcB 010 : A |B 011 : A & B 100 : A>>B 101 : $signed(A)>>>B 110 : A<B 置1 111 : A<<B |
| Menwrite | O | 内存写入控制信号 0 : 不能向DM写入 1 : 可以向DM写入 |
| MemtoReg[1:0] | O | 控制向寄存器的写入数据 00 : WD←ALUResult 01 : WD←RD 10 : WD←NPC31…0 11 : WD←[ALUResult15…0||016] |
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| NPCop[1:0] | O | 两位控制信号，控制NPC的的值 00：PC←PC+4 01：PC←PC31…28||instr_index||02 10：PC←PC + 4 + sign_extend(offset||02) 11：PC←GPR[rs] |
| Branchop[2:0] | O | 用于指示进行何种跳转判断 000 : 判断equal 001 : 判断n_equal 010 : 判断less 011 : 判断big 100 : 判断less or equal 101 : 判断big or equal |
| DMop[1:0] | O | 用于lb,sb,lh,sh等操作的拓展 00 : 正常读取，以字为单位 01 : 用于lh或sh Menwrite = 1—>sh Menwrite = 0—>lh 11 : 用于lb或sb Menwrite = 1—>sb Menwrite = 0—>lb |
相关数据通路信号说明
RegDst
控制对于A3的输入信号，RegDst=00，A3←Instr16…20
, RegDst=01，A3←Instr11…15
, RegDst=10，A3←0x1f，用于jal指令
ALUsrc
控制对于SrcA的输入信号，ALUsrc=10，SrcA←RD2，用于sll指令
，ALUsrc=other，SrcA←RD1
控制对于SrcB的输入信号，ALUsrc=00，SrcB←RD2
，ALUsrc=01，SrcB←EXTImm
，ALUsrc=10，SrcB←Instr6…10(shamt)
MemtoReg
控制对于寄存器的写入信号，MemtoReg=00，WD←ALUResult
，MemtoReg=01，WD←RD
，MemtoReg=10，WD←PC+4
，MemtoReg=11，WD←ALUResult15…0||016，用于lui指令
指令控制信号
| Instr | RegDst[1:0] | Regwrite | EXTop | ALUsrc[1:0] | ALUctrl[2:0] | Memwrite | MemtoReg[1:0] | NPCop[1:0] | Branchop[2:0] | DMop[1:0] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| add | 01 | 1 | x | 00 | 000 | 0 | xx | 00 | xxx | 00 |
| sub | 01 | 1 | x | 00 | 001 | 0 | xx | 00 | xxx | 00 |
| ori | 00 | 1 | 0 | 01 | 010 | 0 | xx | 00 | xxx | 00 |
| lw | 00 | 1 | 1 | 01 | 000 | 0 | 01 | 00 | xxx | 00 |
| sw | xx | 0 | 1 | 01 | 000 | 1 | xx | 00 | xxx | 00 |
| beq | xx | 0 | x | 00 | xxx | x | xx | 10 | 000 | 00 |
| lui | 00 | 1 | 0 | 01 | 000 | x | 11 | 00 | xxx | 00 |
(三)思考题
1.上面我们介绍了通过 FSM 理解单周期 CPU 的基本方法。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。
解答 单周期CPU中，IFU，GRF，DM模块起着状态存储的功能，它们存储了每一个状态的指令以及一些数据CTRL，ALU是组合逻辑电路，起着状态转移的功能。
2.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。
解答 我认为是合理的，对于IM所存储的指令，由于在程序运行中不需要对指令进行修改，使用只读的ROM可以保证指令的读但不会被修改。DM是可读也可写的所以要使用可以读写的RAM，而且由于内存的空间比较大，使用寄存器会导致成本急剧增大，使用满足功能需求同时控制成本的RAM是合理的。GRF由于需要高速的读取或者存储，并且由于寄存器的数目较少，使用寄存器阵列也是合理的。
3.在上述提示的模块之外，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。
解答 我设计了NPC模块，用于计算在各种指令中对于下一个状态PC的计算。我使用了NPCop控制PC在j，jr，beq，bne，ble，blt，bgt等指令中对于PC的控制，我添加了判断ALU两端数据大小的信号以此控制bne等需判断指令的跳转条件判断
NPC
模块定义
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| PC[31:0] | I | 32位输入信号，当前指令的地址 |
| NPCop[1:0] | I | 两位控制信号，控制NPC的的值 00：PC←PC+4 01：PC←PC31…28||instr_index||02 10：PC←PC + 4 + sign_extend(offset||02) 11：PC←GPR[rs] |
| instr_index[26:0] | I | 26位输入信号，用于PC的计算 |
| offset[16:0] | I | 16位输入信号，PC的偏移量 |
| Reg[32:0] | I | 32位输入信号，用于寄存器地址的跳转 |
| Branchop[2:0] | I | 用于指示进行何种跳转判断 000 : 判断equal 001 : 判断n_equal 010 : 判断less 011 : 判断big 100 : 判断less or equal 101 : 判断big or equal |
| equal | I | 用于指示ALU两端数据是否SrcA=SrcB |
| n_equal | I | 用于指示ALU两端数据是否SrcA!=SrcB |
| less | I | 用于指示ALU两端数据是否SrcA<SrcB |
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| big | I | 用于指示ALU两端数据是否SrcA>rcB |
| less or equal | I | 用于指示ALU两端数据是否SrcA<=SrcB |
| big or equal | I | 用于指示ALU两端数据是否SrcA>=SrcB |
| NPC[31:0] | O | 32位输出，输出下一条指令的地址 |
功能定义
| 序号 | 功能名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 计算PC的下一个值 | 两位控制信号，控制NPC的的值 00：PC←PC+4 01：PC←PC31…28||instr_index||02 10： 结合equal,n_equal,less,big,big or equal,less or equal判断是否需要跳转 11：PC←GPR[rs] |
4.事实上，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？
解答 对于nop指令，只是执行了一个PC=PC+4的行为，其他地方没有改变，将指令加进去和不加进去没有什么改变。同时sll $0,$0,0的机器码就是0x00000000可以作为一个空循环的指令使用。
5.上文提到，MARS 不能导出 PC 与 DM 起始地址均为 0 的机器码。实际上，可以避免手工修改的麻烦。请查阅相关资料进行了解，并阐释为了解决这个问题，你最终采用的方法。
解答 如果寄存器中存储的DM的地址被映射在0x3000_0000到0x3fff_ffff间，而我们的DM起始地址是0，那么，我们可以将输入地址用一个减法器直接减去0x3000_0000，再作为DM的地址输入。
6.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。
对于ori指令，还可以增加一些对于$0的赋值，检查是否会对$0造成修改。
对于add指令，还可以增加一些正+零，负+零的指令。
对于sw，最好对每一个内存空间都进行赋值，以保证正确性。
可以对于每一个寄存器都进行赋值，以检查寄存器的连接正确情况。