BUAA-CO课程p4，用verilog实现单周期的CPU
p4_log
模块化层次化
- 整体结构与p3中logisim的分层一致，顶层端口定义为mips.v
- 不同：
- 需要增加同步复位信号reset
- clk留端口，而不是内置
- 需要支持的指令集为：add, sub, ori, lw, sw, beq, lui, jal, jr, nop
- 后期添加的指令为：slt,sll,lh,sh,lbu
设计方案
- 模块化、端口定义等等大致和p3一致
- 连线的时候的命名：推荐使用模块+输出端口命名法，小写字母表示，每一个模块的线放一块，这样输入的时候一目了然
- 注意存储器地址访问的/4细节，思考题中的[11:2]应该就是出于这个考虑
datapath
- 所有的MUX放在同一个MUX.v的文件中，命名为：MUX_SelNum_bit(默认为32位), 如MUX_4,MUX_4_26,MUX_2_5;
RF
| 信号名 |
IO |
描述 |
备注 |
| clk |
I |
时钟信号 |
|
| reset |
I |
异步复位 |
| WE |
I |
写使能信号 |
|
| A1[4:0] |
I |
读出地址1 |
|
| A2[4:0] |
I |
读出地址2 |
| A3[4:0] |
I |
写入地址 |
| WD[31:0] |
I |
写入的数据 |
| RD1[31:0] |
O |
输出A1地址寄存器中的值 |
| RD2[31:0] |
O |
输出A2地址寄存器中的值 |
NPC
| 信号名 |
IO |
描述 |
备注 |
| PC[31:0] |
I |
当前指令地址 |
|
| Simm26[25:0] |
I |
地址偏移 |
| ra[31:0] |
I |
返回地址 |
| CmpOut |
I |
B类指令的比较结果 |
| NPCOp[2:0] |
I |
NPC功能选择：</br> 000: 顺序+4 </br> 001: B类跳转 </br>010: jal/j </br> 011:jr/jalr |
| NPC[31:0] |
O |
下一条指令地址 |
EXT
| 信号名 |
IO |
描述 |
备注 |
| imm16[15:0] |
I |
16位立即数 |
| EXTOp |
I |
EXT功能选择：</br> 0: 0拓展 </br> 1: 符号位拓展 |
lui指令的高位拓展在ALU里执行 |
| S0imm32 |
O |
拓展后的32位立即数 |
ALU
| 信号名 |
IO |
描述 |
备注 |
| ALUOp[3:0] |
I |
ALU功能选择 |
|
| A[31:0] |
I |
运算数1 |
| B[31:0] |
I |
运算数2 |
| shamt[4:0] |
I |
位移值 |
| ALUout[31:0] |
O |
计算结果 |
DM
| 信号名 |
IO |
描述 |
备注 |
| clk |
I |
时钟信号 |
|
| reset |
I |
异步复位 |
| WE |
I |
写使能信号 |
|
| A[31:0] |
I |
待操作数据的地址 |
| DMOp[2:0] |
I |
DM功能选择：000: word </br> 001: halfword </br> 010: byte </br> 1xx: 无符号拓展load |
最高位置一表示无符号位拓展 |
| DMout[31:0] |
输出的32位数据 |
controller
- 对于控制器，我采用先用操作码识别出不同的指令，再去记录下每个控制信号所对应的指令，因为这样更加符合电路的直观（或运算），也更符合我对未来的想象（）
测试方案
- 还是用p3时候的测试数据，但是需要多多注意的是这个东西肉眼debug其实还好一点，但更加适合自动化评测，开始手搓！
增量开发
slt
sll
lh，sh，lhu
思考题
- 阅读下面给出的 DM 的输入示例中（示例 DM 容量为 4KB，即 32bit × 1024字），根据你的理解回答，这个 addr 信号又是从哪里来的？地址信号 addr 位数为什么是 [11:2] 而不是 [9:0]
- 从ALUout输出过来，是按字节寻址的指令，但我们的IM是按字寻址的，addr应该是4的整数倍，所以左移两位，按字存取。
- 思考上述两种控制器设计的译码方式，给出代码示例，并尝试对比各方式的优劣。
- 第二种是最后靠信号输出的，更符合电路的或逻辑，便于后续开发，且更加符合电路
- 在相应的部件中，复位信号的设计都是同步复位，这与 P3 中的设计要求不同。请对比同步复位与异步复位这两种方式的 reset 信号与 clk 信号优先级的关系。
- 异步复位reset的优先级高于clk，不管clk是否处于上升沿，都会复位（所以需要加入触发条件中）。
- 而同步复位的reset优先级低于clk，只有clk到来才会生效。
- C 语言是一种弱类型程序设计语言。C 语言中不对计算结果溢出进行处理，这意味着 C 语言要求程序员必须很清楚计算结果是否会导致溢出。因此，如果仅仅支持 C 语言，MIPS 指令的所有计算指令均可以忽略溢出。 请说明为什么在忽略溢出的前提下，addi 与 addiu 是等价的，add 与 addu 是等价的。提示：阅读《MIPS32® Architecture For Programmers Volume II: The MIPS32® Instruction Set》中相关指令的 Operation 部分。
- addi和add，在operate中加入了溢出检测
- 以add为例
- 若R[rs]和R[rt]的30都是1且31相同的话，就分别对应正数和负数的溢出情况，则这么计算后temp32!temp31，不相等，所以溢出。
- 检测溢出后就会抛出异常，但没有检测溢出的话，还是正常计算，所以和addiu，addu一样。
