【BUAA_CO_LAB】p5p6碎碎念
文章目錄
- 【BUAA_CO_LAB】p5&p6碎碎念
- 寫在前面的話
- 流水線知識(shí)
- 流水級(jí)與命名
- 流水級(jí)寄存器
- R型計(jì)算指令
- I型計(jì)算指令
- 內(nèi)存訪寫指令
- Branch類指令
- Jump指令
- Control Unit
- 轉(zhuǎn)發(fā)
- 阻塞
- p5の完結(jié)
- 改裝p6
- 乘除模塊
- 模仿乘除法運(yùn)算延遲
- 按字節(jié)訪存
- 課上指令之套路
- 運(yùn)算類
- 條件跳轉(zhuǎn)類
- 條件訪存類
【BUAA_CO_LAB】p5&p6碎碎念
寫在前面的話
首先前面必須要附上一段致歉。其實(shí)這篇文章應(yīng)該早在兩三個(gè)星期之前就更出來(lái)了，但是由于期末月的到來(lái)，許多課程面臨結(jié)課大作業(yè)/考試等任務(wù)，博主前段時(shí)間忙于各種大作業(yè)與其他事務(wù)，也沒(méi)能很好地管理自己的時(shí)間（指周末睡大覺(jué)的屑），這個(gè)時(shí)候再發(fā)布，我估計(jì)大部分人其實(shí)應(yīng)該都已經(jīng)做完了這一部分了，所以這篇文章或許更多的意義在于“造福后人”罷。
不過(guò)看到了[p3&p4碎碎念]這篇博文下面的一些反饋，我個(gè)人還是很感動(dòng)的，至少發(fā)現(xiàn)自己寫的東西有人在看，有幫助到一些像我當(dāng)初一樣有困難的同學(xué)，個(gè)中情愫實(shí)在是無(wú)以言表。這也給了我繼續(xù)寫沒(méi)什么技術(shù)含量的技術(shù)博客的動(dòng)力，以及繼續(xù)攻克計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)路上各種困難的決心！再次衷心感謝我的那幾位讀者！！（淚）
從p5開始，我們就從單周期CPU邁入了流水線CPU的旅程。這里的風(fēng)景是獨(dú)特的，其中的轉(zhuǎn)發(fā)、阻塞等原理或許會(huì)讓初遇的同學(xué)感到不知所措。剛開始寫的時(shí)候我也迷茫了很久，但其實(shí)只要細(xì)心體會(huì)個(gè)中原理，就會(huì)豁然開朗。我的架構(gòu)沒(méi)有借鑒gxp老師的PPT和黑書相關(guān)內(nèi)容，所以如果你已經(jīng)照著這些教程做出架構(gòu)了，就沒(méi)必要完全按照此文來(lái)。
我不是那種思維跳躍的聰明同學(xué)，所以理解都是非常簡(jiǎn)樸的，在那些聰明同學(xué)看來(lái)或許會(huì)顯得過(guò)于繁瑣冗雜而可笑，但我希望記錄下自己的思路，以為后來(lái)似我者之鑒（至少我在掙扎于這兩p的時(shí)候是很希望有這樣一種胎教級(jí)教程可以看看的）。同時(shí)，因?yàn)閜6事實(shí)上是在p5的基礎(chǔ)上加裝乘除相關(guān)模塊，沒(méi)有什么需要特別分開說(shuō)明的技術(shù)細(xì)節(jié)，因此我采取了以p5為主的敘述模式，與p6有關(guān)的“加裝”部分我單獨(dú)放在**[改裝p6]**模塊里說(shuō)。
現(xiàn)在手握p4代碼的你，就可以跟著本胎教教程著手改造自己的單周期CPU，進(jìn)入流水線的新階段了。當(dāng)然，如有錯(cuò)誤，還望在評(píng)論區(qū)不吝指正。
流水線知識(shí)
這個(gè)時(shí)候大家應(yīng)該已經(jīng)在理論課學(xué)過(guò)流水線相關(guān)知識(shí)，我就不再講述流水線的必要性、效率、基礎(chǔ)架構(gòu)之類的東西了。我們直接進(jìn)入流水線跟單周期CPU最不一樣的三點(diǎn)：流水級(jí)、轉(zhuǎn)發(fā)與阻塞。
流水級(jí)與命名
理論課中已經(jīng)學(xué)到，為了使指令能夠像PPT例子中的洗衣服那樣同時(shí)安排（后面將大量使用“洗衣服”的例子），我們要細(xì)分出幾個(gè)“洗衣步驟”或者說(shuō)“流水線上的車間”，這就是我們的流水級(jí)。在書寫正式的流水線代碼之前，我們先基于p4代碼做出一個(gè)“Pipeline Without Hazard”，也就是完全不考慮轉(zhuǎn)發(fā)與阻塞，只是分出了流水級(jí)的CPU來(lái)。在課上，我們學(xué)到流水線CPU的基礎(chǔ)流水級(jí)架構(gòu)是這樣的：
傳統(tǒng)CPU有四大功能：取指、譯碼、執(zhí)行計(jì)算、存取，這不就剛好可以分成四個(gè)“洗衣步驟”嗎？同時(shí)，由于后續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)的特殊性，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)寫回級(jí)(Write Back)。這樣就構(gòu)成了五個(gè)基礎(chǔ)的流水級(jí)。接下來(lái)，我們就往五個(gè)流水級(jí)里塞更細(xì)的“洗衣步驟”，也就是各個(gè)模塊（當(dāng)然，別忘了重要的控制信號(hào)生成單元Control Unit）。4個(gè)流水級(jí)寄存器，不過(guò)是我們用來(lái)傳遞“衣服”，或者說(shuō)流水線上的“工件”的傳送帶而已，前一周期中的上一階段所傳來(lái)的數(shù)據(jù)，和后一周期中為下一階段提供的數(shù)據(jù)，都在且必須在這條傳送帶上流淌。無(wú)論是數(shù)據(jù)還是信號(hào)，都需要在寄存器中進(jìn)行保存，直至不再需要。
增添模塊如下圖所示。
可以看到，除了綠色的[比較模塊CMP]以外其他都已經(jīng)在p4里寫過(guò)了，基礎(chǔ)架構(gòu)拿過(guò)來(lái)用就行。這里我們還要注意一點(diǎn)，每個(gè)“洗衣小車間”是獨(dú)立的（請(qǐng)務(wù)必，務(wù)必，務(wù)必記住這個(gè)概念），只通過(guò)流水線傳送帶——即流水級(jí)寄存器連接，也就是說(shuō)在每一級(jí)產(chǎn)生的控制信號(hào)是具有其獨(dú)立性的。因此我們只需要寫出一個(gè)單獨(dú)的Control Unit，然后在頂端模塊中的不同流水級(jí)里對(duì)Control Unit分別進(jìn)行不一樣的實(shí)例化調(diào)用。（閱讀課設(shè)教程，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這種寫法叫做“分布式”）
在把它們組合起來(lái)之前，要先給它們改個(gè)名字，同時(shí)，輸入輸出各個(gè)模塊的信號(hào)名字都請(qǐng)命名成形如**[Pipeline Level] _ [Module name] _ [Signal name]**的形式（如E_ALU_Result），以辨析各個(gè)流水級(jí)，避免后續(xù)接線之類的錯(cuò)誤。課程組教程的命名建議就非常好。我的命名是如圖中紅字所示。
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綠色的[比較模塊CMP]
它是我們用來(lái)判斷Branch類跳轉(zhuǎn)是否發(fā)生的，它會(huì)通過(guò)對(duì)輸入的rs和rt值進(jìn)行判斷，給出一個(gè)“branch_or_not”信號(hào)指導(dǎo)跳轉(zhuǎn)的發(fā)生與否。有的同學(xué)可能在p3、p4時(shí)期就已經(jīng)開辟過(guò)類似模塊做過(guò)這件事了。下面給出我的代碼（p6版本），相信大家看了以后就明白它的作用了。這個(gè)模塊在上機(jī)的時(shí)候也會(huì)幫你大忙。
對(duì)了，請(qǐng)務(wù)必不要一字不差地復(fù)制，咱的課設(shè)還沒(méi)結(jié)束呢orz
我給出了這個(gè)新的模塊的參考寫法，剩下的模塊中，除了五個(gè)流水級(jí)寄存器和Control Unit，都可以基本照搬p4了，只需要按照給出的指令集要求稍作修飾即可（比如指令類型、所需的控制信號(hào)類型、存儲(chǔ)器的大小等）。
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有一個(gè)值得注意的小地方是PC值運(yùn)算模塊NextPC。它的寫法與p4略有不同。有些指令的跳轉(zhuǎn)地址選擇的 PC 指令是它自己這個(gè)小車間對(duì)應(yīng)的相對(duì)獨(dú)立的“當(dāng)前指令”，而不是電路中宏觀的當(dāng)前指令，比如需要被 CMP 模塊判斷的分支跳轉(zhuǎn)指令和 J 型指令，它們的各類判斷發(fā)生在 D 級(jí)流水級(jí)，因此跳轉(zhuǎn)地址對(duì)應(yīng)的“當(dāng)前指令”也應(yīng)該是 D 級(jí)流水級(jí)中的 PC 值 D_PC，而不是直接從F 級(jí)流水級(jí)的 IM 模塊發(fā)出的 F_PC。 其實(shí)這一點(diǎn)，只要理解了前面“小車間獨(dú)立性”的敘述，就非常容易理解了對(duì)不對(duì)？洗衣服の例子，yyds……
`timescale 1ns / 1ps`define Branch 3'd0 `define J 3'd1 `define Jr 3'd2 `define Normal 3'd3module NextPC(input [31:0] D_PC,input [31:0] F_PC,input [25:0] Addr, //Addr or Imm16(Addr[15:0])input [31:0] reg_rs,input [2:0] NextType,input branch_or_not,output [31:0] NPC );assign NPC = (NextType == `Normal) ? (F_PC + 4) :(NextType == `J) ? {D_PC[31:28], Addr, 2'b00} :(NextType == `Jr) ? reg_rs :((NextType == `Branch) && (branch_or_not == 1'b1)) ? (D_PC + 4 + {{14{Addr[15]}}, Addr[15:0], 2'b00}) : (F_PC + 4);endmodule
下面介紹五個(gè)流水級(jí)寄存器和Control Unit的寫法。
流水級(jí)寄存器
首先我們應(yīng)該明確模塊的輸入輸出，也就是說(shuō)，這個(gè)寄存器究竟要存“哪些衣服”？剛過(guò)過(guò)水的？剛打過(guò)泡的？這個(gè)時(shí)候，只要分析一下指令在流水線中流淌的過(guò)程就可以明確，也即，我希望將什么樣的信號(hào)傳給下游的“車間”來(lái)處理（請(qǐng)務(wù)必記住每個(gè)流水級(jí)是相對(duì)獨(dú)立的五個(gè)小車間！它們之間唯一的聯(lián)系就是一條流水線傳送帶！）。下面將指令分為R型計(jì)算指令、I型計(jì)算指令、內(nèi)存訪問(wèn)指令、Branch類指令和Jump類指令分析。
前文提到過(guò)，為保證“小車間獨(dú)立性”，每一個(gè)流水級(jí)里都需要單獨(dú)實(shí)例化Control Unit，而光它一個(gè)人就需要指令編碼Ins[31:0]了吧，因此下文不再重復(fù)提及其必要性。而我想，理論課上應(yīng)該也已經(jīng)講過(guò)流水線CPU需要將當(dāng)前PC值不斷流水的特性，因此后面也不在每一級(jí)贅述了。它們是基礎(chǔ)。
時(shí)鐘信號(hào)clk、復(fù)位信號(hào)Reset和寫使能信號(hào)WE更是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，不必再說(shuō)了。
同時(shí)，由于流水級(jí)寄存器為所有指令所共用，因此我會(huì)直接列出該流水級(jí)寄存器需要存儲(chǔ)的所有信號(hào)，并在對(duì)應(yīng)的指令分析部分對(duì)該指令需要的信號(hào)進(jìn)行下劃線處理，望讀者辨析。
R型計(jì)算指令
- IF_ID - Ins[31:0] + PC[31:0]
- ID_EXE - Ins[31:0] + PC[31:0] + rs[31:0] + rt[31:0] + Ext[31:0]
- 眾所周知，R型指令的R指的就是Register，從通用寄存器堆里取出來(lái)的數(shù)據(jù)，為了在E級(jí)對(duì)它們進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，GRF[rs]和GRF[rt]值是一定要傳遞到下一個(gè)小車間去的。
- EX_MEM - Ins[31:0] + PC[31:0] + ALU[31:0] + rt[31:0] + Ext[31:0]
- 接收ALU運(yùn)算結(jié)果
- MEM_WB - Ins[31:0] + PC[31:0] + ALU[31:0] + DM[31:0] + Ext[31:0]
- 接收ALU運(yùn)算結(jié)果，把ALU運(yùn)算結(jié)果寫回通用寄存器堆
I型計(jì)算指令
- IF_ID - Ins[31:0] + PC[31:0]
- ID_EXE - Ins[31:0] + PC[31:0] + rs[31:0] + rt[31:0] + Ext[31:0]
- I指立即數(shù)Immediate，我們需要從Ext模塊取出的處理好了的立即數(shù)，在E級(jí)和GRF[rs]進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算
- EX_MEM - Ins[31:0] + PC[31:0] + ALU[31:0] + rt[31:0] + Ext[31:0]
- 接收ALU運(yùn)算結(jié)果
- MEM_WB - Ins[31:0] + PC[31:0] + ALU[31:0] + DM[31:0] + Ext[31:0]
- 接收ALU運(yùn)算結(jié)果，把ALU運(yùn)算結(jié)果寫回通用寄存器堆
內(nèi)存訪寫指令
- IF_ID - Ins[31:0] + PC[31:0]
- ID_EXE - Ins[31:0] + PC[31:0] + rs[31:0] + rt[31:0] + Ext[31:0]
- 訪問(wèn)：需要從Ext模塊取出的處理好了的立即數(shù)，在E級(jí)和GRF[rs]進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，獲得訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址，具體參見指令集的RTL描述細(xì)節(jié)
- 寫入：需要將從通用寄存器堆里取出來(lái)的數(shù)據(jù)在E級(jí)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，rs和rt都要
- EX_MEM - Ins[31:0] + PC[31:0] + ALU[31:0] + rt[31:0] + Ext[31:0]
- 訪問(wèn)：接收ALU運(yùn)算結(jié)果
- 寫入：接收ALU運(yùn)算結(jié)果還有rt值，用于計(jì)算寫入地址
- MEM_WB - Ins[31:0] + PC[31:0] + ALU[31:0] + DM[31:0] + Ext[31:0]
- 接收內(nèi)存訪問(wèn)結(jié)果，把結(jié)果寫回通用寄存器堆
Branch類指令
不用麻煩后面，一切在D級(jí)完結(jié)（唯一需要麻煩后面的是轉(zhuǎn)發(fā)問(wèn)題，后面再說(shuō)）
Jump指令
不用麻煩后面，一切在D級(jí)完結(jié)（唯一需要麻煩后面的是轉(zhuǎn)發(fā)問(wèn)題，后面再說(shuō)）
這時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)好像還有幾個(gè)地方?jīng)]被標(biāo)過(guò)下劃線，沒(méi)關(guān)系，那是接下來(lái)即將要講的轉(zhuǎn)發(fā)部分需要的。先寫上吧！
Control Unit
對(duì)于這一部分，我覺(jué)得美工非常重要。整潔的排版可以有效地增加上機(jī)加指令的效率。總體上說(shuō)，跟p4部分的架構(gòu)其實(shí)差不多，只是需要進(jìn)行一些排版。比如說(shuō)，我們可以合并所有的R型指令為Cal_r等，這樣不僅有利于各種控制信號(hào)的生成，而且對(duì)后面要講的阻塞有大用處。下面我貼上我的“排版”，大家予以參考即可。
- Part_1: 宏定義
- Part_2: 信號(hào)定義分割
- Part_3: 中間信號(hào)分類
-
Part_4: 控制信號(hào)生成（寫之前一定要先列好表噢）
p.s. 在這里，我建議把所有需要用MUX選擇的部分（不管是選擇寫入地址也好，寫入數(shù)據(jù)也好），統(tǒng)統(tǒng)集成到這個(gè)地方來(lái)，而不是再去費(fèi)勁心機(jī)地寫好多個(gè)不同位寬的MUX，吃力不討好，而且會(huì)顯得邏輯很亂。就如下圖的第一條assign一樣，把本該通過(guò)頂層模塊中MUX來(lái)選擇的寄存器堆寫入地址RegDst直接采用這種方式定義出來(lái)，就非常方便，要用的時(shí)候直接引出一個(gè)RegDst就好了，根本不用在外面判斷。
類似的例子還有很多，比如MemToReg呀，ALU_Src_A和ALU_Src_B呀，都可以集成到CU這里來(lái)。
最后，我給出我對(duì)控制信號(hào)做出的安排（p5版本），以供大家參考。
至此，能吃p4老本的地方結(jié)束。
轉(zhuǎn)發(fā)
- 通俗的講解
轉(zhuǎn)發(fā)是流水線 CPU 中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)的嚴(yán)格定義請(qǐng)自行復(fù)習(xí)，我在這里只作我非常簡(jiǎn)樸的講解。我認(rèn)為轉(zhuǎn)發(fā)需要存在的根源在于：流水線是一級(jí)一級(jí)地往下流的，有的時(shí)候當(dāng)前我們需要的GRF[rs]值或者GRF[rt]值還在后邊剛被算出來(lái)，還沒(méi)來(lái)得及被傳回到通用寄存器堆里去，它事實(shí)上已經(jīng)產(chǎn)生了，只是流水線太拖拉，我們還夠不到它而已，因此我們需要一條捷徑，把已經(jīng)產(chǎn)生了但走得太慢，還來(lái)不及回到通用寄存器堆的數(shù)據(jù)迅速地傳到我們手中。
這就好比我們的洗衣服流水線，ID_EXE級(jí)的老哥負(fù)責(zé)把洗好的衣服打包送給客戶。現(xiàn)在客戶催著他要衣服，最后一級(jí)的老哥其實(shí)已經(jīng)把衣服洗好了，但衣服還在流水線上流著呢，偷工減料的黑心流水線走得過(guò)于慢了，還有好一會(huì)兒衣服才能到ID_EXE老哥這里。因此現(xiàn)在ID_EXE級(jí)老哥叫了一個(gè)叫轉(zhuǎn)發(fā)的小工蹲在最后一級(jí)的老哥那里，他一洗好，就火速奪過(guò)衣服跑步送給ID_EXE級(jí)老哥。在我們的流水線里，E級(jí)、M級(jí)和W級(jí)都蹲著一個(gè)叫轉(zhuǎn)發(fā)的小工，隨時(shí)準(zhǔn)備將處理好的衣服奪過(guò)來(lái)跑步送給寄存器，這就是轉(zhuǎn)發(fā)的意義所在。畢竟時(shí)間就是金錢，效率就是生命嘛。（怪不得叫暴力轉(zhuǎn)發(fā)）
當(dāng)然，在這里我們假設(shè)的是客戶來(lái)要衣服的時(shí)候，衣服必然已經(jīng)洗好了。如果沒(méi)洗好，小工啥也沒(méi)拿到呢？這時(shí)就不得不讓客戶再等等了，這就是下一部分要講的“阻塞”問(wèn)題。判斷是否洗好的部分交給阻塞模塊，在轉(zhuǎn)發(fā)模塊里，我們默認(rèn)所有的衣服都已經(jīng)洗好了，這就是教程里所描述的“全力”轉(zhuǎn)發(fā)。
為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們首先要將“衣服”，也就是通用寄存器組的讀出值GPR[rs]和 GPR[rt]不斷地在各個(gè)流水級(jí)寄存器之間流水并且存儲(chǔ)，然后通過(guò)當(dāng)前的指令生成的控制信號(hào)（一般是RegDst）來(lái)判斷是不是要發(fā)生轉(zhuǎn)發(fā)。如果我們現(xiàn)在需要的寫入地址值，也就是“客戶”，剛好跟某個(gè)流水級(jí)里的RegDst一樣，就說(shuō)明該客戶的衣服在這里洗好了，我正要往客戶那里送呢，那么轉(zhuǎn)發(fā)小工，就拿上衣服走人吧。
- 代碼細(xì)節(jié)
需要發(fā)生轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是：當(dāng)前的“不夠”的時(shí)候，也就是當(dāng)某一部件需要使用 GPR[rs]或GPR[rt]時(shí)，這個(gè)值還沒(méi)來(lái)得及寫入 GPR 的時(shí)候。這個(gè)時(shí)候，我們需要通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)將這個(gè)值從流水線寄存器中送到該部件的輸入處。這也就說(shuō)明，**在每一個(gè)需要使用 GPR[rs]或者 GPR[rt]的端口節(jié)點(diǎn)前面，我們都可以對(duì)當(dāng)前的 rs 和 rt 值做出一個(gè)判斷，判斷是可以使用當(dāng)前的值，還是說(shuō)當(dāng)前的“不夠”，需要提前獲取后面的值。**教程中的原意應(yīng)該是用 MUX 來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是由于目標(biāo)信號(hào)數(shù)量的不定性，我認(rèn)為 MUX 模塊的設(shè)置并不太方便，同時(shí)我也不喜歡把轉(zhuǎn)發(fā)也集成成為一個(gè)模塊（線太多了），因此我選擇直接在頂層模塊連線的時(shí)候，在對(duì)應(yīng)端口模塊實(shí)例化的前面先對(duì)輸入信號(hào)做出一個(gè)判斷，如下圖所示。
根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)通路的分析，這樣的位點(diǎn)其實(shí)很有限，只有 D 級(jí) CMP 模塊的輸入、E 級(jí) ALU 模塊的輸入和 M 級(jí) DM 模塊的輸入（就是要用rs、rt值的地方嘛）。只要當(dāng)前位點(diǎn)的讀取寄存器地址和某轉(zhuǎn)發(fā)輸入來(lái)源的寫入寄存器地址相等且不為 0，就選擇該轉(zhuǎn)發(fā)輸入來(lái)源；在有多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)輸入來(lái)源都滿足條件時(shí)，最新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)最高，以實(shí)現(xiàn)全力轉(zhuǎn)發(fā)。
同時(shí)為了滿足“最新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)”這一點(diǎn)，我們需要在 GRF 的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)，也就是將輸入的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到輸出端口，避免數(shù)據(jù)的滯塞。
需要注意的是對(duì)當(dāng)前流水級(jí)來(lái)說(shuō)，能夠選擇的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)源是“它之后與 GRF 之前”的流水級(jí)區(qū)間（小工總不可能把不洗衣服的車間里的衣服也搶了吧），因?yàn)槿绻麛?shù)據(jù)都到了 GPR 就不存在所謂的轉(zhuǎn)發(fā)與否的問(wèn)題了，衣服都已經(jīng)流到我手上了，直接拿不香嗎……因此對(duì) D 是 E、M（由于 W 的回寫行為與它直接對(duì)接，通過(guò) GPR 的反饋不存在轉(zhuǎn)發(fā)的問(wèn)題），對(duì) E 是 M、W，對(duì) M 是 W，而 W 級(jí)已經(jīng)不存在需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)了。也就是說(shuō)，關(guān)鍵其實(shí)就是“我需要的數(shù)據(jù)可能滯留在哪里”。
- 后邊加指令的時(shí)候也是一個(gè)道理，這一級(jí)要用，我就全力轉(zhuǎn)發(fā)（比如某些指令可能在M級(jí)也需要rs值，那你就需要多寫一個(gè)M_FWD_rs了），轉(zhuǎn)發(fā)的范圍是我之后到GRF之前，從新到舊，最后到我自己（本級(jí)的值）。就是這么簡(jiǎn)單的思路。
阻塞
比起轉(zhuǎn)發(fā)，阻塞的道理其實(shí)簡(jiǎn)單得多，就是在轉(zhuǎn)發(fā)沒(méi)有辦法解決問(wèn)題的時(shí)候，比如說(shuō)新的數(shù)據(jù)根本還沒(méi)有產(chǎn)生的時(shí)候，向進(jìn)程中插入“氣泡”暫緩流水，等信號(hào)產(chǎn)生了以后再開始流動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取（通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)等方式）。而 “新的數(shù)據(jù)根本還沒(méi)有產(chǎn)生”的條件是【Tuse < Tnew 且滿足轉(zhuǎn)發(fā)條件】，就是說(shuō)需要用數(shù)據(jù)了，客戶來(lái)了，但我的衣服還踏馬沒(méi)洗好呢。
在CPU中的行為就是把指令暫停在 D 級(jí)，也即用一個(gè) Stall 信號(hào)來(lái)參與控制該級(jí)流水寄存器的寫入數(shù)據(jù)行為，使得后面的值不會(huì)被更新，相當(dāng)于插入了一個(gè) nop，或者說(shuō)是一個(gè)“氣泡”，讓中間的模塊安靜地執(zhí)行完現(xiàn)在的進(jìn)程，等“氣泡”消除了之后，把新的值寫到流水寄存器中繼續(xù)開始流水。
插入“氣泡”的具體操作是：凍結(jié)PC值停止流水線運(yùn)行（流水線再走衣服真的洗不完了哥，停一會(huì)兒罷），清空ID_EXE（后邊的慢慢洗罷，不再給你們派新活了，把手頭的洗完再說(shuō)）。看到這個(gè)描述，你應(yīng)該非常清楚前者通過(guò)WriteEnable寫使能信號(hào)完成，后者通過(guò)Reset復(fù)位信號(hào)完成。因此我們只需要新建一個(gè)能夠生成阻塞信號(hào)的阻塞模塊，然后將它產(chǎn)生的阻塞信號(hào)分別與部分寄存器的WE信號(hào)和部分寄存器的Reset信號(hào)與一下就可以了。
- 與之類似的一個(gè)操作叫做【清空延遲槽】，它的動(dòng)作是清空IF_ID，但是并不凍結(jié)PC值，更不會(huì)清空ID_EXE，請(qǐng)閱讀英文指令集有關(guān)內(nèi)容自行思考。
Tuse：指令進(jìn)入 D 級(jí)后，其后的某個(gè)功能部件再經(jīng)過(guò)多少時(shí)鐘周期就必須要使用寄存器值。對(duì)于有兩個(gè)操作數(shù)的指令，其每個(gè)操作數(shù)的 Tuse 值可能不等（如 store 型指令 rs、rt 的 Tuse 分別為 1 和 2 ）。用D級(jí)的信號(hào)判斷。
Tnew：位于 E 級(jí)及其后各級(jí)的指令，再經(jīng)過(guò)多少周期就能夠產(chǎn)生要寫入寄存器的結(jié)果。在我們目前的 CPU 中，W 級(jí)的指令 Tnew 恒為 0；對(duì)于同一條指令，Tnew@M = max(Tnew@E - 1, 0)。 后面每一級(jí)都要具體判斷。
似乎有很多人喜歡在這里畫表，但我感覺(jué)不用吧，自己想一想就能明白了，如下圖所示。比如對(duì)于Tuse，branch類和J類的跳轉(zhuǎn)與否的判斷在D級(jí)就可以完成，自然是0（不用再找后面的了），需要E級(jí)的ALU運(yùn)算結(jié)果的就再往后一個(gè)周期，就是1，后面的以此類推了。需要注意的是對(duì)于無(wú)關(guān)的東西我們要把Tuse設(shè)置為一個(gè)很大的值（比如我的3’d5），相當(dāng)于一直塞著。
根據(jù) Tuse 和 Tnew 所提供的信息，可以得出：當(dāng)滿足轉(zhuǎn)發(fā)條件（詳見“轉(zhuǎn)發(fā)”部分），且 D 級(jí)指令的 Tuse 小于對(duì)應(yīng) E 級(jí)或 M 級(jí)指令的 Tnew時(shí)，我們就在 D 級(jí)暫停指令。在其他情況下，數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)都可以通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)解決。
從 Tuse 和 Tnew 的表達(dá)式，我們也能看出需要在每一個(gè)流水級(jí)都判斷一下當(dāng)前的 Tuse 和 Tnew 值，以完成比對(duì)。這整個(gè)過(guò)程可以看成一個(gè)這樣的流程：
當(dāng)然了，在“全力轉(zhuǎn)發(fā)”的思路下，我們的代碼里已經(jīng)沒(méi)有GRF后面的“可與不可”的判斷了（管它現(xiàn)在有沒(méi)有呢，滿足轉(zhuǎn)發(fā)條件的直接轉(zhuǎn)發(fā)），這個(gè)圖只是對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)必要性的一個(gè)更直觀的詮釋。
p5の完結(jié)
最后，在頂端模塊里把所有的模塊都實(shí)例化并連接起來(lái)吧——你的流水線CPU就這樣誕生了。如果不清楚接線細(xì)節(jié)，可以參考PPT等資源，但我感覺(jué)只要把上面的邏輯捋清了，再結(jié)合p4的基礎(chǔ)，搭出美麗的p5、p6并不是問(wèn)題。接下來(lái)就是測(cè)試等環(huán)節(jié)，討論區(qū)的同學(xué)珠玉在前，我也不在此班門弄斧了，請(qǐng)大家好好利用身邊同學(xué)的資源吧！！
本學(xué)期課設(shè)結(jié)束后，我會(huì)把我的代碼上傳到Github上去，屆時(shí)會(huì)在本博文評(píng)論區(qū)里附上網(wǎng)址，以供后來(lái)人參考。
改裝p6
p6跟p5的區(qū)別在于多了很多指令，以及乘除相關(guān)的{mult, div, multu, divu, mthi, mtlo, mfhi, mflo}。對(duì)于前面新增的指令，相信只要通過(guò)了p5課上的同學(xué)都能輕松地照葫蘆畫瓢給它加上去，在此就不贅述了。唯一麻煩的就是乘除相關(guān)模塊的加裝以及訪存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)對(duì)不同位寬數(shù)據(jù)的處理。我們?cè)趐5的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，從而實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)地方。
乘除模塊
乘除法是一種算術(shù)運(yùn)算指令，因此我們把單獨(dú)開辟出來(lái)的乘除模塊放在E級(jí)，我給它取名叫E_HILO。在這里，我們需要完成乘除法的算術(shù)運(yùn)算，并且模仿乘除法運(yùn)算延遲的行為和從HI、LO寄存器中取值的行為。
模仿乘除法運(yùn)算延遲
乘除法運(yùn)算在電路中進(jìn)行得很慢，所以我們需要進(jìn)行一個(gè)模仿。這里我想到了之前學(xué)過(guò)的有限狀態(tài)機(jī)，我們可以設(shè)置一個(gè)Cycle狀態(tài)信號(hào)，執(zhí)行過(guò)乘除法后，它就充當(dāng)一個(gè)計(jì)時(shí)器，等Cycle里的延遲時(shí)間走完了之后，我們?cè)龠M(jìn)行后面的操作。乘除法部件中內(nèi)置了 HI 和 LO 兩個(gè)寄存器，這兩個(gè)寄存器，同時(shí)也是這個(gè)模塊與外界溝通的唯一窗口。
我們假定乘 / 除部件的執(zhí)行乘法的時(shí)間為 5 個(gè) cycle (包含寫入內(nèi)部的 HI 和 LO 寄存器)，執(zhí)行除法的時(shí)間為 10 個(gè) cycle。你在乘 / 除部件內(nèi)部必須模擬這個(gè)延遲，即通過(guò) Busy 輸出標(biāo)志來(lái)反映這個(gè)延遲。
想明白了“計(jì)時(shí)器”的實(shí)現(xiàn)后，代碼寫起來(lái)就沒(méi)什么技術(shù)含量，下面是我的，僅供參考。
always@(posedge clk)beginif (reset)begin//Reset all the Signalsendelse beginif (cycle == 0)beginif (HILO_mthi)//Operationelse if (HILO_mtlo)//Operationelse if (HILO_mult)beginbusy <= 1'b1;cycle <= 5;//Operation of MULTendelse if (HILO_multu)beginbusy <= 1'b1;cycle <= 5;//Operation of MULTUendelse if (HILO_div)beginbusy <= 1'b1;cycle <= 10;//Operation of DIV (Attention: Split the result into HI and LO!!!!)endelse if (HILO_divu)beginbusy <= 1'b1;cycle <= 10;//Operation of DIVU (Attention: Split the result into HI and LO!!!!) endendelse if (cycle == 1)beginbusy <= 1'b0;cycle <= 0;HI <= tmp_hi;LO <= tmp_lo;endelsecycle <= cycle - 1;endend按字節(jié)訪存
由于我們這一學(xué)期的p6改為了【存儲(chǔ)器外置】的形式，據(jù)我所知跟之前有所不同，我也不確定以后是不是這樣，所以我就不寫存儲(chǔ)器外置的寫法了（課程組可能會(huì)有具體要求，實(shí)現(xiàn)也不難的，在頂端模塊里處理就行）。在這里貼上一個(gè)通用版本的支持按字節(jié)訪存的DM代碼。（好像p4已經(jīng)貼過(guò)了？）
`timescale 1ns / 1ps`define BW_word 2'b00 `define BW_halfword 2'b01 `define BW_byte 2'b01`define word DataMemory[DM_A[15:2]] `define halfword `word[15 + 16 * DM_A[1] -:16] //-意為從此開始往下16位，同理，如果是+就是往上16位。這么寫的原因是因?yàn)镈M_A并非是一個(gè)constant，在Verilog的語(yǔ)法定義里，不可以用變量的值表示向量位寬，除非采用這種寫法，不然必報(bào)錯(cuò) `define half_sign `word[15 + 16 * DM_A[1] -:1] `define byte `word[7 + 8 * DM_A[1:0] -:8] `define byte_sign `word[7 + 8 * DM_A[1:0] -:1]module M_DM(input [31:0] DM_A,input [31:0] DM_WD,input [1:0] BW,input [31:0] PC,input MemWrite,input Clk,input Reset,output [31:0] DM_out );reg [31:0] DataMemory [3071:0];assign DM_out = (BW == `BW_word) ? (`word) :(BW == `BW_halfword) ? {{16{`half_sign}}, `halfword} :(BW == `BW_byte) ? {{16{`byte_sign}}, `byte} : `word;integer i;initial beginfor (i = 0; i < 3072; i = i + 1)beginDataMemory[i] = 32'd0;endendalways@(posedge Clk)beginif (Reset)beginfor (i = 0; i < 3072; i = i + 1)beginDataMemory[i] = 32'd0;endendelse if (MemWrite)begin$display("%d@%h: *%h <= %h", $time, PC, DM_A, DM_WD); `word <= DM_WD;`halfword <= DM_WD[15:0];`byte <= DM_WD[7:0];endendendmodule到這里，其實(shí)p6就完成了，沒(méi)有想象中那么難罷。
但是注意：p6的指令很多，加的時(shí)候一定要看清楚機(jī)器碼等細(xì)節(jié)，尤其是在處理控制信號(hào)的時(shí)候。
課上指令之套路
課上指令可以總結(jié)為三類：R型/I型運(yùn)算類（運(yùn)算），B+alr類（條件跳轉(zhuǎn)），lw/sw + [condition]類（條件訪存）。它們都有自己對(duì)應(yīng)的套路。
運(yùn)算類
如果你在Control Unit里做好了中間信號(hào)分類，那么運(yùn)算類就是小菜一碟。在Control Unit里先宏定義好新指令信號(hào)，將其合并入cal_r或者cal_i中，這樣你就不用再理會(huì)任何與阻塞/轉(zhuǎn)發(fā)有關(guān)的東西了。然后，為它分配一個(gè)新的ALUOp碼，去ALU模塊里定義好它的具體運(yùn)算操作，基本上就完成了。一般來(lái)說(shuō)加這個(gè)運(yùn)算類指令可以在5分鐘內(nèi)解決戰(zhàn)斗——只要你課下沒(méi)錯(cuò)。所以，做好測(cè)試！！！
運(yùn)算類也可能會(huì)出現(xiàn)“條件寫”的要求，比如運(yùn)算結(jié)果滿足某條件才寫回，這里只需要在E級(jí)把你運(yùn)算得到的結(jié)果轉(zhuǎn)化成條件真值，然后傳到E級(jí)Control Unit里去指導(dǎo)RegDst就可以了。
條件跳轉(zhuǎn)類
一般是B+alr類。首先，在Control Unit里將它合并到branch類中，此后阻塞不必再理。然后為它分配合適的BranchType等控制信號(hào)，到對(duì)應(yīng)的模塊中判斷跳轉(zhuǎn)是否發(fā)生，并且生成好NextPC的值（根據(jù)題干具體定）。這時(shí)，我們可以得到來(lái)自CMP模塊的判斷信號(hào)branch_or_not（根據(jù)判斷條件的不同，可以酌情向CMP模塊中加入信號(hào)）。用這個(gè)branch_or_not信號(hào)，我們可以在D級(jí)中定義是否發(fā)生跳轉(zhuǎn)的信號(hào)為一個(gè)check信號(hào)：wire check =branch_or_not，然后將這個(gè)信號(hào)流水下去。如果新的指令需要你在條件跳轉(zhuǎn)的同時(shí)寫寄存器（比如寫$31），那么就在每個(gè)流水級(jí)都將這個(gè)check信號(hào)傳入到控制信號(hào)生成器中去，和指令信號(hào)一起指導(dǎo)RegDst等信號(hào)的生成。
條件訪存類
在這里，第一步依然是合并指令到load類或者store類中，進(jìn)行一些常規(guī)的控制信號(hào)處理操作。不過(guò)這時(shí)我們不能再對(duì)阻塞模塊和轉(zhuǎn)發(fā)置之不理。因?yàn)楦鶕?jù)題目的特定要求，它有的時(shí)候在M級(jí)需要rs值（只是舉個(gè)例子），這個(gè)時(shí)候我們就需要在M級(jí)加上對(duì)rs的轉(zhuǎn)發(fā)；
在阻塞模塊里，我們也要做出修改，因?yàn)槲覀冊(cè)贛級(jí)才能得到條件真值，這個(gè)時(shí)候如果D級(jí)有需要rs、rt的動(dòng)作（有客戶來(lái)取衣服了），E級(jí)的情形就是不確定的，因此我們需要在E級(jí)進(jìn)行一個(gè)保守的條件約束：如果E級(jí)也是該條指令，并且此時(shí)D級(jí)要用該條指令要寫入的寄存器，我們就stall。形如：
當(dāng)然根據(jù)不同指令的要求不同，這里給E級(jí)強(qiáng)加的暫停條件也不同，請(qǐng)大家根據(jù)指令的RTL描述自行變通。但我認(rèn)為條件暫停的根本是只約束E級(jí)，因?yàn)槭聦?shí)上只有這里可以產(chǎn)生RegDst等控制信號(hào)的不定值（也有人認(rèn)為M級(jí)也要約束，但對(duì)于課上測(cè)試結(jié)果應(yīng)該是一樣的）。
本文到此就結(jié)束了，如果文中有錯(cuò)誤，或者有我還說(shuō)得不清楚的地方，歡迎大家在評(píng)論區(qū)留言告知。雖然也沒(méi)幾個(gè)人看，但是已有的讀者的反饋真的讓我感到非常感動(dòng)，今后我也會(huì)努力學(xué)習(xí)并分享各種知識(shí)（寒假我會(huì)選擇分享一些獨(dú)立游戲制作的內(nèi)容，比如unity3d和GMS2），力求能夠幫助到有需要的人！謝謝！！（鞠躬
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的【BUAA_CO_LAB】p5p6碎碎念的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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