BUAA-CO-p3-课下

整体设计

本次P3要求实现的指令：add sub ori lw sw lui beq

整体设计参考黑书

各模块设计

由于添加额外指令的原因，某些模块可能比只完成课下要求的cpu多出一些端口

IFU

我是从IFU开始搭的，因为只有确定了指令，才好确定其他部件的功能

端口名称	IO	功能
NPCOp[1:0]	I	确定PC的状态转移形式
InStr[31:0]	O	要执行的机器码
PC	O	当前PC

IFU本身的逻辑其实并不复杂，但是如果要实现更多对于PC进行操作的指令，如j，jal，jr等，就需要很多额外的输入与运算。为保持精简，此处仅列出完成p3课下必要的端口。

如果需要满足更多j型指令的需求，我们用多路选择器，依据NPCOp来选择PC转移至NPC的依据。

另外需要注意的是，PC在reset时需要置为0x00003000而非0x00000000。

GRF

直接复用p0搭的即可，这里不再赘述

提醒：P0对于GRF的评测强度较弱，请自行检查是否有隐藏的bug

ALU

端口名称	IO	功能
SrcA[31:0]	I	计算的第一个数
SrcB[31:0]	I	计算的第二个数
Ans[31:0]	O	答案
ALUOp	I	选择计算模式

DM

端口名称	IO	功能
Addr[31:0]	I	地址
WD[31:0]	I	数据内容
RD[31:0]	I	读出数据
WE	I	写使能

需要注意的是，DM中使用的是RAM，而Logisim中RAM的地址最多只能为14位，因此要取输入地址的低14位

CRTL

同IFU，此处仅列出通过本次P3必要的端口

端口名称	IO	功能
op[5:0]	I	opcode
func[5:0]	I	func code
ALUOp[1:0]	O	ALU模式选择
ALUSrc	O	选择ALU的第二个输入（RD2还是Imm）
RegWr	O	GRF的写使能
RegWrOp[1:0]	O	选择GRF写入的数据
MemWr	O	DM写使能
MemToReg	O	选择RegData（ALU结果还是DM的RD）
EXTOp	O	是否进行sign_extend

调试过程

课下测试很弱，一定要自己调

比较容易出问题的就是beq，看清RTL语言后再动手搭线。一个问题是offset需要左移2位后再进行符号位扩展，另一个是offset不是绝对地址而是偏移量，因此addr除offset外还需+ PC + 4

调试工具

关于样例的生成，这里推荐23级学长的随机样例生成器。强度是够的，不过需要自己添加jal指令。

关于自动化测评机，这里推荐轮椅流自动测评机。

这测评机简直神中神吧，相当于直接跟MARS对拍，只要你有够强的数据，一定可以de出bug！

指令添加

• R-R运算

  一般来说，其编码格式为：

  31:26	25:21	20:16	15:11	10:6	5:0
  000000	rs	rt	rd	0	func

  主要添加ALU的操作，同时可能增加ALUOp的位数，开启GRF写使能，写入地址选rd，写入数据选RegData

• R-I运算

  31:26	25:21	20:16	15:0
  op	rs	rt	imm16

  将$rs与signed_ext(imm16)进行运算，存入rt

  与R-R最主要的不同在于ALUSrc置1，写入地址选rt

• 分支

  31:26	25:21	20:16	15:0
  op	rs	rt	offset

  用ALU进行运算后，如果满足分支跳转条件，PC转移到 $PC+4+sign\_ext(offset||0^2)$ ，否则PC转移到 $PC+4$

  所有分支指令对于PC的计算方法是一样的，因此可以这样做： 将指令选中信号与ALU输出的判断信号做&& ，再与其他分支信号做||，如果得到1，则将NPCOp置branch的指定信号，否则置0。

• 跳转

  • j和jal没有本质区别，jal只是多了一步存PC+4的操作。

    显然，这两种指令是对PC的转移方式进行的扩展，所以主要注意力应放在IFU和NPCOp上。我们要为IFU增加instr_index的端口，增加NPCOp的选择。除此以外，不要忘记jal要对$31寄存器进行写入操作，因此要打开GRF的写使能、增加写入地址处的多路选择器以及对应的RegDst的选择（当然也可以选择在最后端额外加一个专门服务与jal的多路选择器，与一个jal?信号，但这不符合模块化的设计思想，虽然笨人就是这么做的），以及给IFU增加一个PC+4的输出端口，作为写入的数据源。那么既然数据源增加了，RegWrite模块中的选择又多了一个，RegWrOp的选择也要多一个…

  • jr和jalr可以放在一起说

    这两条指令的核心是让PC转移到GRF[rs]，那么首先要将GRF[rs]传入IFU中，然后增加NPC的选择。jalr再进行一步对$rd的写入操作：打开GRF写使能、写入寄存器地址选择rd，写入数据选择PC+4，即可。