自己动手写CPU之第六阶段（3）——移动操作指令的实现
将陆续上传本人写的新书《自己动手写CPU》（尚未出版），今天是第22篇，我尽量每周四篇
6.3 修改OpenMIPS以实现移动操作指令
6.3.1 HI、LO寄存器的实现
在HILO模块中实现HI、LO寄存器，HILO模块的接口描述如表6-1所示。
HILO模块的代码如下，源文件是本书附带光盘Code\Chapter6目录下的hilo_reg.v。整个代码很简单：在时钟上升沿，如果复位信号无效，那么就判断输入的写使能信号we是否为WriteEnable，如果是WriteEnable，那么就将输入的hi_i、lo_i的值，作为HI、LO寄存器的新值，并通过hi_o、lo_o接口输出。
module hilo_reg( input wire clk, input wire rst, // 写端口 input wire we, input wire[`RegBus] hi_i, input wire[`RegBus] lo_i, // 读端口 output reg[`RegBus] hi_o, output reg[`RegBus] lo_o ); always @ (posedge clk) begin if (rst == `RstEnable) begin hi_o <= `ZeroWord; lo_o <= `ZeroWord; end else if((we == `WriteEnable)) begin hi_o <= hi_i; lo_o <= lo_i; end end endmodule
6.3.2 修改译码阶段的ID模块
在译码阶段要增加对移动操作指令的分析，根据图6-1给出的移动操作指令格式可知，这6条指令都是SPECIAL类指令，且6-10bit均为0，需要依据0-5bit的功能码确定指令，确定指令的过程如图6-6所示。
其中涉及的宏定义如下，正是图6-1中各个指令的功能码。在本书附带光盘Code\Chapter6目录下的defines.v文件可以找到这些宏定义。
`define EXE_MOVZ 6'b001010 `define EXE_MOVN 6'b001011 `define EXE_MFHI 6'b010000 `define EXE_MTHI 6'b010001 `define EXE_MFLO 6'b010010 `define EXE_MTLO 6'b010011
译码阶段的ID模块主要修改如下。完整代码位于本书附带光盘Code\Chapter6目录下的id.v文件。
module id(
......
);
wire[5:0] op = inst_i[31:26];
wire[4:0] op2 = inst_i[10:6];
wire[5:0] op3 = inst_i[5:0];
wire[4:0] op4 = inst_i[20:16];
......
always @ (*) begin
......
aluop_o <= `EXE_NOP_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_NOP;
wd_o <= inst_i[15:11]; // 默认目的寄存器地址wd_o
wreg_o <= `WriteDisable;
instvalid <= `InstInvalid;
reg1_read_o <= 1'b0;
reg2_read_o <= 1'b0;
reg1_addr_o <= inst_i[25:21]; // 默认的reg1_addr_o
reg2_addr_o <= inst_i[20:16]; // 默认的reg2_addr_o
imm <= `ZeroWord;
case (op)
`EXE_SPECIAL_INST: begin // 是SPECIAL类指令
case (op2)
5'b00000: begin // op2为5'b00000
case (op3)
......
`EXE_MFHI: begin // mfhi指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EXE_MFHI_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_MOVE;
reg1_read_o <= 1'b0;
reg2_read_o <= 1'b0;
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_MFLO: begin // mflo指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EX E_MFLO_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_MOVE;
reg1_read_o <= 1'b0;
reg2_read_o <= 1'b0;
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_MTHI: begin // mthi指令
wreg_o <= `WriteDisable;
aluop_o <= `EXE_MTHI_OP;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b0;
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_MTLO: begin // mtlo指令
wreg_o <= `WriteDisable;
aluop_o <= `EXE_MTLO_OP;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b0;
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_MOVN: begin // movn指令
aluop_o <= `EXE_MOVN_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_MOVE;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b1;
instvalid <= `InstValid;
//reg2_o的值就是地址为rt的通用寄存器的值
if(reg2_o != `ZeroWord) begin
wreg_o <= `WriteEnable;
end else begin
wreg_o <= `WriteDisable;
end
end
`EXE_MOVZ: begin // movz指令
aluop_o <= `EXE_MOVZ_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_MOVE;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b1;
instvalid <= `InstValid;
//reg2_o的值就是地址为rt的通用寄存器的值
if(reg2_o == `ZeroWord) begin
wreg_o <= `WriteEnable;
end else begin
wreg_o <= `WriteDisable;
end
end ......
endmodule
有如下几点说明。
（1）除mthi、mtlo外的其余4条移动操作指令的运算类型alusel_o均为EXE_RES_MOVE。
（2）指令mthi、mtlo需要修改HI、LO寄存器，但是不需要修改通用寄存器，所以在其译码结果中，wreg_o为WriteDisable。另外，设置reg1_read_o为1，表示需要通过Regfile模块读端口1读取通用寄存器的值，默认读取地址就是指令21-25bit的值，正是mthi、mtlo指令中的rs。读出的值作为要写入HI或LO寄存器的数据。
（3）movz指令的译码过程需要读取rs、rt寄存器的值，所以设置reg1_read_o、reg2_read_o均为1。默认通过Regfile模块读端口1读取的寄存器地址reg1_addr_o的值是指令的21-25bit，正是movz指令中的rs，默认通过Regfile模块读端口2读取的寄存器地址reg2_addr_o的值是指令的16-20bit，正是movz指令中的rt。所以，reg2_o的值就是读取到的地址为rt的寄存器的值，如果该值为0，那么设置wreg_o为WriteEnable，表示要将地址为rs的寄存器的值赋给地址为rd的寄存器，反之，wreg_o为WriteDisable，表示不赋值。
（4）movn指令的译码过程与movz指令类似，只是wreg_o为WriteEnable的条件与movz正好相反。
6.3.3 修改执行阶段
1、修改EX模块
译码阶段的结果会传递到执行阶段，执行阶段据此进行计算。考虑到执行阶段需要读写HI、LO寄存器，另外还要解决HI、LO寄存器带来的数据相关问题，所以需要给EX模块增加如表6-2所示的接口。各接口对外连接关系可以参考图6-5。
EX模块的代码修改如下。完整代码位于在本书附带光盘Code\Chapter6目录下的ex.v文件中。
module ex(
......
// HILO模块给出的HI、LO寄存器的值
input wire[`RegBus] hi_i,
input wire[`RegBus] lo_i,
// 回写阶段的指令是否要写HI、LO，用于检测HI、LO寄存器带来的数据相关问题
input wire[`RegBus] wb_hi_i,
input wire[`RegBus] wb_lo_i,
input wire wb_whilo_i,
// 访存阶段的指令是否要写HI、LO，用于检测HI、LO寄存器带来的数据相关问题
input wire[`RegBus] mem_hi_i,
input wire[`RegBus] mem_lo_i,
input wire mem_whilo_i,
// 处于执行阶段的指令对HI、LO寄存器的写操作请求
output reg[`RegBus] hi_o,
output reg[`RegBus] lo_o,
output reg whilo_o,
......
);
reg[`RegBus] logicout; // 逻辑操作的结果
reg[`RegBus] shiftres; // 移位操作的结果
reg[`RegBus] moveres; // 移动操作的结果
reg[`RegBus] HI; // 保存HI寄存器的最新值
reg[`RegBus] LO; // 保存LO寄存器的最新值
......
/****************************************************************
** 第一段：得到最新的HI、LO寄存器的值，此处要解决数据相关问题 **
*****************************************************************/
always @ (*) begin
if(rst == `RstEnable) begin
{HI,LO} <= {`ZeroWord,`ZeroWord};
end else if(mem_whilo_i == `WriteEnable) begin
{HI,LO} <= {mem_hi_i,mem_lo_i}; // 访存阶段的指令要写HI、LO寄存器
end else if(wb_whilo_i == `WriteEnable) begin
{HI,LO} <= {wb_hi_i,wb_lo_i}; // 回写阶段的指令要写HI、LO寄存器
end else begin
{HI,LO} <= {hi_i,lo_i};
end
end
/****************************************************************
************ 第二段：MFHI、MFLO、MOVN、MOVZ指令 *************
*****************************************************************/
always @ (*) begin
if(rst == `RstEnable) begin
moveres <= `ZeroWord;
end else begin
moveres <= `ZeroWord;
case (aluop_i)
`EXE_MFHI_OP: begin
// 如果是mfhi指令，那么将HI的值作为移动操作的结果
moveres <= HI;
end
`EXE_MFLO_OP: begin
// 如果是mflo指令，那么将LO的值作为移动操作的结果
moveres <= LO;
end
`EXE_MOVZ_OP: begin
// 如果是movz指令，那么将reg1_i的值作为移动操作的结果
moveres <= reg1_i;
end
`EXE_MOVN_OP: begin
// 如果是movn指令，那么将reg1_i的值作为移动操作的结果
moveres <= reg1_i;
end
default : begin
end
endcase
end
end
/****************************************************************
*** 第三段：依据运算类型alusel_i的值，确定wdata_o的值 ***
*****************************************************************/
always @ (*) begin
wd_o <= wd_i;
wreg_o <= wreg_i;
case ( alusel_i )
`EXE_RES_LOGIC: begin
wdata_o <= logicout;
end
`EXE_RES_SHIFT: begin
wdata_o <= shiftres;
end
`EXE_RES_MOVE: begin // 移动操作指令的alusel_i为EXE_RES_MOVE
wdata_o <= moveres;
end
default: begin
wdata_o <= `ZeroWord;
end
endcase
end
/****************************************************************
* 第四段，如果是MTHI、MTLO指令，那么需要给出whilo_o、hi_o、lo_i的值 *
*****************************************************************/
always @ (*) begin
if(rst == `RstEnable) begin
whilo_o <= `WriteDisable;
hi_o <= `ZeroWord;
lo_o <= `ZeroWord;
end else if(aluop_i == `EXE_MTHI_OP) begin
whilo_o <= `WriteEnable;
hi_o <= reg1_i;
lo_o <= LO; // 写HI寄存器，所以LO保持不变
end else if(aluop_i == `EXE_MTLO_OP) begin
whilo_o <= `WriteEnable;
hi_o <= HI; // 写LO寄存器，所以HI保持不变
lo_o <= reg1_i;
end else begin
whilo_o <= `WriteDisable;
hi_o <= `ZeroWord;
lo_o <= `ZeroWord;
end
end
endmodule
上面修改的代码可以分为四段理解。
（1）第一段代码的作用是得到最新的HI、LO寄存器的值，首先判断当前处于访存阶段的指令是否要写HI、LO寄存器，即mem_whilo_o是否为WriteEnable，如果是，那么访存阶段的指令要写入的值就是HI、LO寄存器的最新值，如果不是，那么再判断当前处于回写阶段的指令是否要写HI、LO寄存器，如果是，那么回写阶段的指令要写入的值就是HI、LO寄存器的最新值，如果不是，那么从HILO模块输入的值hi_i、lo_i就是HI、LO寄存器的最新值。
（2）第二段代码的作用是针对不同的移动操作指令，确定moveres的值，变量moveres存储的是移动操作指令的结果。
（3）第三段代码的作用是依据运算类型alusel_i的值，将不同的运算结果赋给wdata_o，如果是移动操作指令，那么alusel_i为EXE_RES_MOVE，此时将moveres的值赋给wdata_o。
（4）第四段代码的作用是确定是否要写HI、LO寄存器，如果是mthi、mtlo寄存器，那么要写HI、LO寄存器，所以设置输出信号whilo_o为WriteEnable。具体地说，有如下两种情况。
- 如果是mthi指令，那么表示要写HI寄存器，所以hi_o等于reg1_i的值，参考译码阶段的ID模块可知reg1_i的值就是在译码阶段读出的地址为rs的寄存器的值，另外，LO的值保持不变，所以lo_o等于LO。
- 如果是mtlo指令，那么表示要写LO寄存器，所以lo_o等于reg1_i的值，参考译码阶段的ID模块可知reg1_i的值就是在译码阶段读出的地址为rs的寄存器的值，另外，HI的值保持不变，所以hi_o等于HI。
2、修改EX/MEM模块
参考图6-5，EX模块新增加的输出接口whilo_o、hi_o、lo_o连接到EX/MEM模块，需要给EX/MEM模块添加如表6-3所示接口。
EX/MEM模块的代码修改如下。完整代码位于本书附带光盘Code\Chapter6目录下的ex_mem.v文件。主要修改的部分使用加粗、斜体表示，作用是将执行阶段得到的对HI、LO寄存器的写信息传递到访存阶段。
module ex_mem( input wire clk, input wire rst, // 来自执行阶段的信息 input wire[`RegAddrBus] ex_wd, input wire ex_wreg, input wire[`RegBus] ex_wdata, input wire[`RegBus] ex_hi, input wire[`RegBus] ex_lo, input wire ex_whilo, // 送到访存阶段的信息 output reg[`RegAddrBus] mem_wd, output reg mem_wreg, output reg[`RegBus] mem_wdata, output reg[`RegBus] mem_hi, output reg[`RegBus] mem_lo, output reg mem_whilo ); always @ (posedge clk) begin if(rst == `RstEnable) begin mem_wd <= `NOPRegAddr; mem_wreg <= `WriteDisable; mem_wdata <= `ZeroWord; mem_hi <= `ZeroWord; mem_lo <= `ZeroWord; mem_whilo <= `WriteDisable; end else begin mem_wd <= ex_wd; mem_wreg <= ex_wreg; mem_wdata <= ex_wdata; mem_hi <= ex_hi; mem_lo <= ex_lo; mem_whilo <= ex_whilo; end end endmodule
6.3.4 修改访存阶段
1、修改MEM模块
参考图6-5，EX/MEM模块新增加的输出接口mem_whilo、mem_hi、mem_lo连接到访存阶段的MEM模块，需要给MEM模块添加如表6-4所示接口。
MEM模块的代码修改如下。对应本书附带光盘Code\Chapter6目录下的mem.v文件。主要修改的部分使用加粗、斜体表示，作用是将对HI、LO寄存器的写信息传递到MEM/WB模块，后者会将这些信息传递到回写阶段。
module mem(
input wire rst,
// 来自执行阶段的信息
input wire[`RegAddrBus] wd_i,
input wire wreg_i,
input wire[`RegBus] wdata_i,
input wire[`RegBus] hi_i,
input wire[`RegBus] lo_i,
input wire whilo_i,
// 访存阶段的结果
output reg[`RegAddrBus] wd_o,
output reg wreg_o,
output reg[`RegBus] wdata_o,
output reg[`RegBus] hi_o,
output reg[`RegBus] lo_o,
output reg whilo_o
);
always @ (*) begin
if(rst == `RstEnable) begin
wd_o <= `NOPRegAddr;
wreg_o <= `WriteDisable;
wdata_o <= `ZeroWord;
hi_o <= `ZeroWord;
lo_o <= `ZeroWord;
whilo_o <= `WriteDisable;
end else begin
wd_o <= wd_i;
wreg_o <= wreg_i;
wdata_o <= wdata_i;
hi_o <= hi_i;
lo_o <= lo_i;
whilo_o <= whilo_i;
end
end
endmodule2、修改MEM/WB模块
参考图6-5，MEM模块新增的输出接口whilo_o、hi_o、lo_o连接到MEM/WB模块，需要给MEM/WB模块添加如表6-5所示接口。
MEM/WB模块的代码修改如下。对应本书附带光盘的Code\Chapter6目录下的mem_wb.v文件。主要修改的部分使用加粗、斜体表示，作用是将对HI、LO寄存器的写信息传递到回写阶段。
module mem_wb(
input wire clk,
input wire rst,
// 访存阶段的结果
input wire[`RegAddrBus] mem_wd,
input wire mem_wreg,
input wire[`RegBus] mem_wdata,
input wire[`RegBus] mem_hi,
input wire[`RegBus] mem_lo,
input wire mem_whilo,
// 送到回写阶段的信息
output reg[`RegAddrBus] wb_wd,
output reg wb_wreg,
output reg[`RegBus] wb_wdata,
output reg[`RegBus] wb_hi,
output reg[`RegBus] wb_lo,
output reg wb_whilo
);
always @ (posedge clk) begin
if(rst == `RstEnable) begin
wb_wd <= `NOPRegAddr;
wb_wreg <= `WriteDisable;
wb_wdata <= `ZeroWord;
wb_hi <= `ZeroWord;
wb_lo <= `ZeroWord;
wb_whilo <= `WriteDisable;
end else begin
wb_wd <= mem_wd;
wb_wreg <= mem_wreg;
wb_wdata <= mem_wdata;
wb_hi <= mem_hi;
wb_lo <= mem_lo;
wb_whilo <= mem_whilo;
end
end
endmodule
6.3.5 修改回写阶段
参考图6-5，MEM/WB模块输出的对HI、LO寄存器的写信息将直接送到HILO模块，包括：wb_whilo、wb_hi、wb_lo，后者据此修改HI、LO寄存器的值。
6.3.6 修改OpenMIPS顶层模块
由于本章增添了HILO模块，而且对流水线中的多个模块都增加了接口，所以需要修改OpenMIPS顶层模块，在其中将各个模块新增加的接口按照图6-5所示的关系连接起来。因为很好理解，所以具体代码不在书中罗列，读者可以参考本书附带光盘Code\Chapter6目录下的openmips.v文件。
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