P3 用Logisim搭建单周期CPU学习总结
1 教程中的设计与测试说明
经过因为没有好好读教程和题目说明导致P2挂了前车之鉴，小编决定好好阅读教程。
1.1 32位处理器
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32位指的是数据宽度，包括GRF里面的寄存器的位宽，指令的位宽，主存储器保存数据的位宽
1.2 什么是有效行为
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NPC的计算
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对DM的操作
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对GRF的操作
1.3 PC的单位
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PC的计数单位是byte
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1 byte=8 bit，1 word=4 byte
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IM和DM的一个存储单位是1 word
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所以IM和DM的地址为PC/4 相当于取PC的2-6位
1.4对控制器的理解
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控制器分为两个部分
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和逻辑
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识别出是哪条指令
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输出信号除了该指令为1，其余指令都为0
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或逻辑
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根据指令的不同，生成不同的控制信号
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控制信号接在各个选择器的选择端，选择生成哪条通路
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1.5EXT模块的理解
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通过控制信号选择对数的不同方式 高位零扩展，低位零扩展，高位符号扩展等
2 关键模块定义
2.1 我们需要那些模块
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小编认为执行一条指令相当于完成了一个大功能（所谓指令是功能的单位），而一条指令可以分解为几个基础功能。
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举例说明
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lw：计算地址，读取DM数据到GRF
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beq：比较操作数，分支跳转
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addu：计算操作数的和，将结果存入GRF
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总结下来，所有指令可以表示为以下六个功能的线性组合：
| 功能 | 描述 | 主要涉及模块 |
|---|---|---|
| 写入寄存器（回写） | GRF[num]<= | GRF |
| 存入主存（访存） | Mem[Address]<= | DM |
| 计算 | 略 | ALU |
| 跳转 | PC<= | NPC |
| 比较 | if(condition) | CMP |
| extend（扩展） | 32-digit<=extend(not-32-digit) | EXT |
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综上所述，便可以得出我们需要哪些模块了。
2.2 关键模块介绍
PC
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保存指令的地址，以字节为单位
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| CLK | I | 时钟信号 |
| Reset | I | 异步复位信号 |
| DI[31:0] | I | 32位输入 |
| DO[31:0] | O | 32位输出（当前指令的地址） |
NPC
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计算下一条指令的地址
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| PC[31:0] | I | 32位输入 |
| imm26[25:0] | I | 26位偏移（如jal） |
| imm16[15:0] | I | 16位偏移（如beq） |
| Reg[31:0] | I | 寄存器中保存着32位目标地址（如jr） |
| cmp_sign | I | cmp输出的比较条件判定信号 |
| NPCop[2:0] | I | NPC功能模式选择信号 000：PC+4 001:PC+4+sign_ext(imm16||00) 010:PC[31:28]||imm26||00 |
| NPC[31:0] | O | 32位输出，下一条指令地址 |
IM
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指令存储器
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| instr_addr[4:0] | I | 指令的地址（以字为单位）PC的2-6位 |
| instr[31:0] | O | 当前32位指令 |
GRF
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寄存器堆包含32个寄存器
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写使能信号极其重要 WE——RegWrite
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对GRF的操作
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从GRF中读取操作数
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将数据回写入GRF
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| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| A1[4:0] | I | 5位地址输入信号，指定32个寄存器中的一个，将其中存储的数据读出到RD1 |
| A2[4:0] | I | 5位地址输入信号，指定32个寄存器中的一个，将其中存储的数据读出到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 |
| RD1[31:0] | O | 输出A1指定的寄存器中的32位数据 |
| RD2[31:0] | O | 输出A2指定的寄存器中的32位数据 |
| WD[31:0] | I | 32位数据输入信号 |
| WE | I | 写使能信号 1：可向GRF中写入数据 0：不可向GRF中写入数据 |
| Reset | I | 异步复位信号 |
| CLK | I | 时钟信号 |
ALU
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提供32位加、减、或运算等功能
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| A[31:0] | I | 输入ALU的第一个32位操作数 |
| B[31:0] | I | 输入ALU的第二个32位操作数 |
| S[4:0] | I | 补充运算数，一般为shamt |
| C[31:0] | O | ALU输出32位计算结果 |
| F[2:0] | I | ALU功能模式 000：A&B 001：A|B 010：A+B 011:A-B 100：保留（不做计算） |
EXT
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功能：用于扩展数据。将原来的不规整的16位或者26位数据转换为目标32位数据。特别说明：我设计的EXT不涉及NPC中的立即数的扩展,所以，通常为16位立即数。
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| imm_in[15:0] | I | 16位立即数输入 |
| ext_sign[2:0] | I | 扩展功能模式 |
| imm_out[31:0] | O | 32位扩展完成的立即数输出 |
CMP
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原本的设计中是将CMP模块和ALU模块合并的，但是由于带条件的指令产生的判断信号会使得ALU模块变得复杂，所以特此设立CMP模块。用于beq，slt，bge等指令的执行。
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功能：输出条件比较的结果
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| A[31:0] | I | 第一个比较数 |
| B[31:0] | I | 第二个比较数（和0比较时不需要） |
| cmp_sign | O | 比较结果输出 |
| CMPop[3:0] | I | 比较功能模式信号，选择输出那种比较结果 0000：A==B 0001：A>B 0010:A=B 0101:A<=B 0110:A==0 0111:A>0 1000：A<0 |
DM
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RAM应使用双RAM应使用双端口模式，应设置RAM的Data Interface属性为Separate load and store ports
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由于想添加sb，lb，sh，lh等信号，所以将DM模块复杂化。
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| CLK | I | 时钟信号 |
| Reset | I | 异步复位信号 |
| MemData[31:0] | I | DM输入的待处理的数据 |
| Addr[31:0] | I | DM数据地址 |
| Memout[31:0] | O | DM输出数据 |
| MemWrite | I | 控制是否向DM写入数据 |
| DMop[1:0] | I | 控制模式功能信号 00：不进行任何处理（以字为单位） 01：加载一个符号扩展字节（sb，lb）10：加载符号扩展半个字（sh，lh） |
3 控制器设计
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首先，我来分析一下模块的本质要素：
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输入
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输出
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是否发挥功能
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发挥什么功能
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看过qs哥哥的文章，引用他对控制信号理解的一句话：我认为好的控制信号有三种：
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决定是否发挥功能的信号（对应是否发挥功能）
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决定数据来源的信号（对应输入）
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决定具体功能的信号（对应发挥什么功能）
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本质上对控制信号的思考就是对指令过程的思考。对于一个指令，我们思考的只有三个问题：
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哪个模块需要工作？（决定是否发挥功能的信号）
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工作时处理的数据是什么？（决定数据来源的信号）
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要如何处理数据？（决定具体功能的信号）
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| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| op[5:0] | I | instr[31:26] |
| func[5:0] | I | instr[4:0] |
| cmp_sign | I | CMP模块的输出，条件判断信号 |
| RegWrite | O | GRF模块写使能信号（是否向GRF写入数据）0：不能向GRF中写入数据 1：能向GRF中写入数据 |
| MemWrite | O | DM模块写使能信号（是否向DM写入数据） 0：不能向DM中写入数据 2：能向DM中写入数据 |
| EXTop[2:0] | O | EXT模块功能选择信号（选择哪种扩展） 000：符号扩展 001：0扩展 010：加载立即数至高位，低位补0 |
| ALUop[2:0] | O | ALU模块功能选择信号（选择哪种计算） 000：A&B 001：A|B 010：A+B 011：A-B 100：保留原始数据,输出B |
| CMPop[3:0] | O | CMP模块功能选择信号（选择哪种比较结果） 0000：A==B 0001：A>B 0010:A=B 0101:A<=B 0110:A==0 0111:A>0 |
| NPCop[2:0] | O | NPC模块功能选择信号（选择那种跳转）000：PC+4 001：PC+4+sign_ext(imm16||00) 010:PC[31:28]||imm26||00 |
| DMop[1:0] | O | DM模块功能选择信号（选择输出字，字节，半字） 00:字 01：符号扩展字节 10：符号扩展半字 |
| GRFA3_Sel[1:0] | O | 选择GRF的A3的数据来源 00：rt 01：rd 10：31(jal) |
| GRFWD_Sel[1:0] | O | 选择GRF的写入数据WD的数据来源 00：ALU的C 01：DM的输出 10:PC+4(jal) |
| ALUB_Sel | O | 选择ALU的操作数B的数据来源 0：GRF的RD2 1：扩展后的32位立即数 |
指令控制信号表
| 指令 | RegWrite | MemWrite | GRFA3_Sel[1:0] | GRFWD_Sel[1:0] | ALUB_Sel | EXTop[2:0] | ALUop[2:0] | CMPop[3:0] | DMop[1:0] | NPCop[2:0] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| lw | 1 | 0 | 00 | 01 | 1 | 000 | 010 | XXXX | 00 | 000 |
| sw | 0 | 1 | XX | XX | 1 | 000 | 010 | XXXX | 00 | 000 |
| addu | 1 | 0 | 01 | 00 | 0 | XXX | 010 | XXXX | XX | 000 |
| subu | 1 | 0 | 01 | 00 | 0 | XXX | 011 | XXXX | XX | 000 |
| beq | 0 | 0 | XX | XX | 0 | XXX | 010 | 0000 | XX | if(cmp_sign)001/else 000 |
| ori | 1 | 0 | 00 | 01 | 1 | 001 | 001 | XXXX | XX | 000 |
| lui | 1 | 0 | 00 | 00 | 1 | 010 | 100 | XXXX | XX | 000 |
| nop | 0 | 0 | XX | XX | X | XXX | XXX | XXXX | XX | 000 |
4 指令的结构
4.1 R型指令
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R型指令分为6个部分
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
|---|---|---|---|---|---|
| 6bits | 5bits | 5bits | 5bits | 5bits | 6bits |
| [31:26] | [25:21] | [20:16] | [15:11] | [10:6] | [5:0] |
4.2 I型指令
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16位立即数，分为4个部分
| op | rs | rt | offset or immediate |
|---|---|---|---|
| 6bits | 5bits | 5bits | 16bits |
| [31:26] | [25:21] | [20:16] | [15:0] |
4.3 J型指令
| op | address |
|---|---|
| 6bits | 26bits |
| [31:26] | [25:0] |
5 如何添加一条新的指令
小编认为可以根据一条指令的执行的五个步骤来添加。五个步骤为：取指令、取操作数、执行、访存、回写。一个一个步骤顺序考虑该步骤需要用到的模块和控制信号。
添加指令的依据，是指令的描述和操作。
顺序过每一个步骤，检查该指令需要在这个步骤里完成什么操作。
5.1 取指令
取指令模块：NPC,IM
取指令要素
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读取IM
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计算NPC，更新PC的值
需要考虑的控制信号
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NPCop
5.2 取操作数
取操作数模块：EXT、GRF
要素
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操作数据来源选择
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扩展数据来源选择
-
如何扩展
需要考虑的控制信号
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EXTop：如果有立即数扩展，选择扩展方式
5.3 执行
执行模块：ALU，CMP
执行三要素
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ALU第一个操作数 A[31:0]来源选择
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ALU第二个操作数 B[31:0]来源选择
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ALU执行何种计算功能
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CMP第一个操作数A'[31:0]来源选择
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CMP第二个操作数B’[31:0]来源选择
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CMP执行哪种判断功能
需要考虑的控制信号
-
ALUop
-
CMPop
-
ALUB_Sel
5.4 访存
访存模块：DM
访存要素
-
写入地址数据来源
-
写入数据 数据来源
-
写使能，是否写入主存
-
访存什么大小的数据：word？half byte？byte？
需要考虑的控制信号
-
MemWrite
-
DMop
5.5 回写
回写模块：GRF
回写三要素
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写入编号来源选择
-
写入数据 来源选择
-
是否写入GRF
需要考虑的控制信号
-
RegWrite
-
GRFWD_Sel
-
GRFA3_Sel
当五个步骤都考虑了一遍，基本上一条指令也添加完毕了。
6 可能出现的bug
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输出测试信号接错误：本题有七个输出测试信号，提供给评测机测试。
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instr：当前正在执行的32位指令
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RegWrite：GRF写使能信号
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RegWrite：GRF的WD输入
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MemWrite：DM写使能信号
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MemAddr：DM输入五位地址
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MemData：DM输入32位待处理数据
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注意：一定一定要接对，不要接在mux选择器前面。
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