计组P3设计文档

P3建议：在阅读课件的基础上梳理每个线路、接口的数据从哪里来、到哪里去，便于理解

源代码：solor-wind/BUAA_CO (github.com)

设计要求

• 处理器为 32 位单周期处理器，应支持的指令集为： add, sub, ori, lw, sw, beq, lui, nop ，其中：

  • nop 为空指令，机器码 0x00000000，不进行任何有效行为（修改寄存器等）。
  • add, sub 按无符号加减法处理（不考虑溢出）。

• 需要采用模块化和层次化设计。顶层有效的驱动信号要求包括且仅包括异步复位信号 reset（clk 请使用内置时钟模块）。

模块规格

顶层设计

image-20231026090817666

IFU（取指令单元）

• 内部包括 PC（程序计数器）、IM（指令存储器）及相关逻辑。
• PC 用寄存器实现，应具有异步复位功能，复位值为起始地址。
• 起始地址：0x00003000。
• 地址范围：0x00003000 ~ 0x00006FFF。
• IM 用 ROM 实现，容量为 4096 × 32bit。
• IM 实际地址宽度仅为 12 位，需要使用恰当的方法将 PC 中储存的地址同 IM 联系起来。

PC（Moore型状态机）

变量	方向	位宽	解释	来源/去向
clk	in	1	时钟信号	内置
rst	in	1	异步复位信号	顶层输入
ctrl	in	1	控制信号	Control
beq_addr	in	32	跳转指令地址	IM的Instr
addr	out	32	下一条指令地址	IM

难点：异步复位置0x00003000

解决方案：输出+0x00003000，内部仍从0开始

IM

变量	方向	位宽	解释	来源/去向
sel？	in	1	读取选择信号
addr	in	12	指令地址	PC
Instr	out	32	指令机器码	Control/PC/

GRF（通用寄存器组，也称为寄存器文件、寄存器堆）

• 用具有写使能的寄存器实现，寄存器总数为 32 个，应具有异步复位功能。
• 0 号寄存器的值始终保持为 0。其他寄存器初始值（复位后）均为 0，无需专门设置。

变量	方向	位宽	解释	来源/去向
clk	in	1	时钟信号	内置
rst	in	1	异步复位信号	顶层输入
WE/RegWrite	in	1	写使能信号	Control
RegAddr	in	5	GRF 5 位写入地址	Instr
WD/RegData	in	32	GRF 32 位写入数据	ALU/DM/Instr
A1	in	5	读出数据的寄存器编号	Instr
A2	in	5	读出数据的寄存器编号	Instr
RD	out	32	GRF 32 位读出数据	ALU
RD2	out	32	GRF 32 位读出数据	ALU

ALU（算术逻辑单元）

？比较按无符号还是有符号？

• 提供 32 位加、减、或运算及大小比较功能。
• 加减法按无符号处理（不考虑溢出）。

变量	方向	位宽	解释	来源/去向
op	in	2	功能选择	Control
a	in	32	操作数1	GRF/Instr
b	in	32	操作数2	GRF/Instr
out	out	32	结果	GRF/DM

DM（数据存储器）

• 使用 RAM 实现，容量为 3072 × 32bit，应具有异步复位功能，复位值为 0x00000000。
• 起始地址：0x00000000。
• 地址范围：0x00000000 ~ 0x00002FFF。
• RAM 应使用双端口模式，即设置 RAM 的 Data Interface 属性为 Separate load and store ports。

变量	方向	位宽	解释	来源/去向
MemWrite	in	1	DM 写入控制信号	Control
MemAddr	in	32	DM 32 位写入地址	ALU
MemData	in	32	DM 32 位写入数据	GRF
MemData	out	32	DM 32 位输出数据	GRF

EXT（扩展单元）

• 可以使用 Logisim 内置的 Bit Extender。

Controller（控制器）

• 使用与或门阵列构造控制信号的具体方法见后文叙述。
• 也可以通过其它方式构造控制信号，同学们可以自行探索。

指令解读

指令	31-26	25-21	20-16	15-11	10-6	5-0	解释
add	000000	rs	rt	rd	00000	100000	rd=rs+rt
sub	000000	rs	rt	rd	00000	100010	rd=rs-rt
ori	001101	rs	rt	im	im	im	rt=rs|im
lw	100011	base	rt	offset	offset	offset	rt=mem(base+of)
sw	101011	base	rt	offset	offset	offset	mem(base+of)=rt
beq	000100	rs	rt	offset	offset	offset	PC+=4+of00?
lui	001111	00000	rt	im	im	im	rt=im(0*16)

控制器

变量	方向	位宽	解释
Instr	in	32	指令机器码
ctrl	out	1	PC，控制是否beq
WE	out	1	GRF，写使能信号
GRF_op1	out	1	GRF，控制写入地址来源（0,rd）
GRF_op2	out	2	GRF，控制写入数据来源（0,ALU,1,DM）
op	out	2	ALU，运算选择
ALU_op	out	1	ALU，控制运算数来源（0,rt,1,im,2,of）
MemWrite	out	1	DM，写入控制信号

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。

   状态存储：GRF、DM、IFU

   状态转移：ALU、Controller、EXT

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。

   合理，IM存储指令，一般无需、也不应在执行过程中修改，因此使用ROM；DM需要读写，因此使用RAM；GRF所需存储规模较小，而且某些指令需要同时执行存储、读出行为，因此每一寄存器用 Register较为合理。

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。

   设计了指令解读模块，将32位机器码按字段转为相应的值如OPcode、rt、offset等。思路就是利用splitter，只是将其封装为模块。

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？

   输入nop指令时，Conrtoller内部的与门阵列输出信号全为0，GRF、DM的写信号为0，因此相当于没进行任何操作。

5. 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。

   指令覆盖情况：缺少sub指令

   单一指令覆盖：add缺少 intmax ，ori缺少中间值，lui缺少0，lw、sw偏移量没考虑负数，beq跳转范围应包含前后。

测试方案

机器码转指令的

运行C语言代码（code_instruction.c），1为从文件输入，输出到文件；2为单个指令翻译

自动生成数据点的C语言代码

待开发，目前只有手敲代码（

.data
.space 0x3000
.text
ori $0,$0,0
ori $2,$0,2
ori $3,$0,3
ori $4,$0,4
ori $5,$0,5
ori $6,$0,6
ori $7,$0,7
ori $8,$0,8
ori $9,$0,9
ori $10,$0,10
ori $11,$0,11
ori $12,$0,12
ori $13,$0,13
ori $14,$0,14
ori $15,$0,15
ori $16,$0,16
ori $17,$0,17
ori $18,$0,18
ori $19,$0,19
ori $20,$0,20
ori $21,$0,21
ori $22,$0,22
ori $23,$0,23
ori $24,$0,24
ori $25,$0,25
ori $26,$0,26
ori $27,$0,27
ori $28,$0,28
ori $29,$0,29
ori $30,$0,30
ori $31,$0,31


ori $0,$0,1#$0应始终为0
ori $2,$0,65535
ori $3,$0,0
ori $4,$0,12
lui $5,65535
lui $6,0
lui $7,8
add $8,$5,$2#-1
lui $9,32767
add $9,$9,$2#intmax
add $10,$9,$8
sub $10,$8,$9#-intmax-1
add $10,$0,$10
sub $11,$2,$4#65523
sub $12,$4,$2#-65523
add $13,$11,$12#0
sub $14,$5,$5#0

lui $18,0
ori $18,$18,0x2ffc
sw $10,($18)
sw $11,12280($0)
sw $12,-4($4)#8
lw $15,8($0)#$12,-65533
lw $16,12284($0)#$10,-intmax-1
lw $17,12280($0)#11,65523

loop:
lui $21,0
ori $21,$21,1
add $19,$19,$21
beq $19,$20,loop#$19=21跳出

sub $22,$0,$20#$22=-20
loop2:
beq $22,$20,loop2
add $22,$0,$20
beq $22,$20,end
nop
end:
add $23,$23,$21

命令行自动化测试

文件夹下：logisim的jar包、测试电路文件

文件夹打开命令行输入： java -jar logisim-generic-2.7.1.jar 单周期CPU.circ -tty table > result.txt

运行C语言代码（CPU_test.c），依次输出32个寄存器存储数值，可与MARS比较