Logisim单周期cpu设计文档与思考题

设计文档

支持指令集

指令 格式 描述(RTL) 机器码 OPCODE/FUNCT
add add rd rs rt GPR[rd] <- GPR[rs]+GPR[rt] R型 0/100000
sub sub rd rs rt GPR[rd] <- GPR[rs]-GPR[rt] R型 0/100010
ori ori rt rs imme GPR[rt] <- GPR[rs] or imme I型 001101
lw lw rt offset(base) GPR[rt] <- memory[GPR[base]+offset] I型 100011
sw sw rt offset(base) memory[GPR[base]+offset] <- GPR[rt] I型 101011
beq beq rs rt offset if(GPR[rs]==GPR[rt]) PC <- PC+4+sign_extend(offset||00) I型 000100
lui lui rt imme GPR[rt] <- imme||0^16 I型 001111
jal jal target PC <- PC31..28||target||00 并且 GPR[31] <- PC + 4 J型 000011
jr jr rs PC <- GPR[rs] R型 0/001000
sll sll rd rt s GPR[rd] <- GPR[rt] << s R型 0/000000
jalr jalr rd rs PC <- GPR[rs] , GPR[rd] <- PC+4 R型 0/001001
lb lb rt offset(rs) GPR[rt] <- memory[GPR[rs]+offset] I型 100000
sb sb rt offset(rs) memory[GPR[rs]+offset] <- GPR[rt] I型 101000
slt slt rd rs rt GPR[rd] <- (GPR[rs] < GPR[rt]) R型 0/101010
nop null 不进行任何操作，空置一周期 null 0x00000000

注意
：

  • 其中
    sll
    指令为
    R型指令
    ，这是因为我们最多移位31位，没必要用16位的立即数保存。故s为5位，是一种特殊的R型（只有两个寄存器参与操作）
  • nop虽然不需要进行任何操作，但是
    仍然需要进行PC <- PC + 4
    ,所以在设计NPCop时不要忘了2'b00也应该能被nop激活。

mips指令集机器码补充

R型指令

opcode rs rt rd shamt funct
位长 6 5 5 5 5 6
占位 31-26 25-21 20-16 15-11 10-6 5-0

I型指令

opcode rs rt immediate
位长 6 5 5 16
占位 31-26 25-21 20-16 15-0

J型指令

opcode instr_index
位长 6 26
占位 31-26 25-0

数据通路形式建模

模块分析

  • IFU(Instruction Fetch Unit 取指令单元)

模块描述

  • 内部包括 PC(程序计数器)、IM(指令存储器)、NPC(进行指令的转移地址计算)。
  • 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。
  • ROM 内部的起始地址是从 0 开始的，即 ROM 的 0 位置存储的是 PC 为 0x00003000 的指令，每条指令是一个 32bit 常数。
  • 经过以上分析，不难发现 ROM 实际地址宽度仅需 12 位，请使用恰当的方法将 PC 中储存的地址同 IM 联系起来。

模块功能及引脚定义

  • PC：当Reset=1时，异步复位至地址0x0000_3000
信号 方向 位 描述
CLK I 1 单周期的时钟信号
Reset I 1 异步复位
DI I 1 NPC传来的新的指令地址
DO O 1 当前指令地址
  • NPC：计算下一条指令的地址
信号 方向 位 描述
PC I 32 当前指令地址
imm16 I 16 beq时跳转到的地址
ZERO I 1 ALU减法结果是否为 0
NPCop I 2 决定NPC应该进行何种计算
NPC O 32 下一条指令的地址
  • IM：读取指令机器码并分解
信号 方向 位 描述
PC I 32 当前指令地址
OPCODE O 6 当前指令的OPCODE
rs O 5 rs编号
rt O 5 rt编号
rd O 5 rd编号
imm16 O 16 立即数
FUNCT O 6 当前指令的FUNCT
  • GRF(寄存器堆)

模块描述

  • 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。
  • 0号寄存器采用接地设计，故实际上只有31个寄存器。

模块功能及引脚定义

  • GRF：寄存器堆用于存储寄存器中的数据
信号 方向 位 描述
CLK I 1 时钟信号
Reset I 1 异步复位信号
GRFWe I 1 写使能信号
A1 I 5 rs寄存器编号
A2 I 5 rt寄存器编号
A3 I 5 rd寄存器编号
WD I 32 写入rd的数据
RD1 O 32 rs寄存器读出值
RD2 O 32 rt寄存器读出值
  • ALU(算术逻辑单元)

模块描述

  • 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）。

模块功能及引脚定义

信号 方向 位 描述
A I 32 GPR[rs]
B I 32 GPR[rt] 或 扩展后的立即数
ALUop I 2 执行何种运算
RD O 32 运算结果
ZERO O 1 执行减法时结果是否为 0
  • 注：规定ALUop的2'b00,2'b01,2'b10分别表示add、sub、ori操作
  • DM(数据存储器)

模块描述

  • 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。

模块功能及引脚定义

信号 方向 位 描述
A I 32 数据存储器地址
DI I 32 写入的数据
We I 1 写使能
CLK I 1 时钟信号，异步复位
Reset I 1 复位信号
DO O 32 输出的数据
  • EXT(扩展单元)

模块描述

  • 使用 Logisim 内置的 Bit Extender。
  • 作用为将immediate16拓展为32bit。
  • 具有拓展选择信号EXTop。

控制器(Controller)建模

  • 模块描述
  • 使用与或门阵列构造控制信号。
  • 分析可知，决定控制信号的就是当前在执行哪种指令，我们便需要建立每种信号的布尔表达式
  • 与阵列中，我们将每种指令作为输出，布尔表达式建立方法如：beq的opcode为000100，则beq=!op[5]
    !op[4]
    !op[3]
    op[2]
    !op[1]*!op[0]
  • 或阵列中，只需要把使得控制信号为真的指令或起来即可。
  • 模块功能及引脚定义
信号 方向 位 描述 多位控制信号的具体描述
OPCODE I 6 指令的opcode
FUNCT I 6 指令的funct
NPCop O 2 决定NPC应该进行何种计算 2'b00 : +4
2'b01 : beq
2'b10 : jal
2'b11 : jr
WRSel O 2 GRF写入地址来源 2'b00 : rt
2'b01 : rd
2'b10 : ra(jal)
WDSel O 2 GRF写入数据来源 2'b00 : ALU的输出
2'b01 : DM的输出
2'b10 : 立即数
2'b11 : PC+4(jal)
EXTop O 2 如何扩展立即数 2'b00 : 无符号扩展
2'b01 : 有符号扩展
2'b10 : 在低位扩展16个0
GRFWe O 1 GRF写使能
ALUop O 2 进行何种运算 2'b00 : 加法
2'b01 : 减法
2'b10 : 或运算
2'b11 : 左移运算
BSel O 1 运算数是否为立即数
DMWe O 1 DM写使能

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。

    答
    ：单周期cpu涉及到的模块有：NPC、PC、IM、GRF、ALU、DM，可以将其划分为两个FSM：分别为NPC、PC、IM构成的Moore型FSM，称之为IFU 和 GRF、ALU、DM构成的下游mealy型FSM。在IFU中，PC发挥状态存储功能，NPC发挥状态转移功能；在下游FSM中，GRF发挥状态存储功能，整个IFU发挥状态转移功能。


  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。
    答
    ：我认为合理。ROM是只读存储器，只能读取而无法写入，在程序运行的过程中，我们已经将mips翻译为机器码导入IM的ROM中，无须修改，故合理。DM是cpu的主存，会与ALU和GRF间交互数据，所以DM需要同时具有读与写的功能，使用RAM合理。GRF本来就是register file，临时的存储变量，符合寄存器的特性，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。
    答
    ：无。


  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？
    答
    ：由于我们的controller是通过与或阵列实现的，nop的机器码为0x0000_0000，在不考虑nop时，controller的与阵列的所有已经设计好的指令输出都为低电平，即cpu不会有任何高电平写使能、NPC也按照正常方式计算一下条指令地址，此时电路表现为空置一周期，故不需要考虑nop指令的设计。


  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。
    答
    ：我认为强度不够。在指令集覆盖方面缺少对sub指令的测试，同时在具体单种指令的测试上，ori的数据缺少边界情况的测试如立即数为0x0或0xffff；add指令缺少运算数包含0x0的情况；sw指令测试存在问题：lw的偏移量是负数的情况没有测试；lw与sw是同样的问题；beq指令的问题是缺少寄存器是负数的判断和跳转。

    附上成功自测出GRFbug的改进数据。
 # add sub ori lw sw beq lui nop
 ori $a0 $0 123#a0 = 123
 ori $a1 $a0 456#a1 = 507
 ori $a1 $a1 0#a1 = 507
 ori $a2 0xffff#a2 = 0xffff

 lui $a3 123#a3 = 0x007B_0000
 lui $t0 0xffff
 ori $t0 $t0 0xffff#t0 = 0xffffffff (-1)

 # wrong from here s0 is -1(wrong)
 add $s0 $a0 $a2#s0 = 65658
 add $s1 $a0 $t0#s1 = 122
 add $s2 $t0 $t0#s2 = -2
 add $s3 $0 $t0#s3 = -1

 sub $s4 $a0 $a1#s4 = -384
 sub $s5 $a1 $a0#s5 = 384
 sub $s6 $t0 $t0#s6 = 0
 sub $s7 $a0 $t0#s7 = 124


 ori $t1 0x0000#t1 = 0
 sw $a0 0($t1)#123
 sw $a2 4($t1)#0xffff
 sw $0 8($t1)#0
 sw $t0 12($t1)#-1
 ori $t2 20#t2 = 20
 sw $a1 -4($t2)#507

 ori $t3 $0 4
 lw $t4 4($t3)#t4 = 0xffff
 lw $t5 8($t3)#t5 = 0
 lw $t6 12($t3)#t6 = -1
 lw $t7 -4($t3)#t7 = 507

 beq $a0 $a1 loop1#unequal
 beq $s3 $t0 loop2#equal

 loop1:lw $t8 0($t1)
 loop2:lw $t8 4($t1)#t8 = 0xffff

标签: none

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