首页 计算机组成原理

首先建议设计文档里有一份顶层架构图，能够反映流水线运作原理，尤其是各级之间的转发。而画这个图的过程，本身也是对代码的数据通路 debug 的过程。

课上指令通常为三类：计算类、跳转类、访存类。

# 一、计算类

通常是 R 型指令， GPR[rs] 与 GPR[rt] 运算，结果存入寄存器 rd 中。

一般只需要修改 ALU 即可，复杂的运算可在顺序块 always @ (*) 中实现，注意循环时计数变量要初始化

# 二、跳转类

情况多种，主要体现在以下三个方面：

  • 有 / 无 条件 跳转

    在 CMP 模块中处理好 isBranch 信号即可

  • 有 / 无 条件 链接

    • 无条件链接 ：通常是链接 PC+8 到 $ra 。容易实现，与写寄存器相关的信号同 jal 指令即可。
    • 有条件链接 ：即条件不成立时，不链接。存在两种解决方案：
      1. 在 D 级引入新的写寄存器信号 RFWr_new ，根据 CMP 模块的条件返回值对其赋值，然后将其流水至 W 级，代替原有的写寄存器信号。要注意当指令不是此指令时， RFWr_new 信号应等于原来的 RFWr 信号。个人认为这种方法较为麻烦，不建议采用。
      2. 注意到，当被写的寄存器为 $zero 时，将不会执行写入操作。于是，可以改变被写寄存器的控制信号，使写入的寄存器为 $zero

  • 条件不成立时，是 / 否 清空延迟槽

    清空延迟槽，即废除延迟槽指令，不再执行，等价于将延迟槽指令替换成 nop 。

    课下的 beq 指令是不清空的，而需要清空时，我们将 F_to_D 流水线寄存器清零即可（注意这和阻塞的区别）。这需要一个从 CMP 发往 F_to_D 的控制信号 D_clr 。

    注意其置 1 条件 ：（指令为此跳转指令） && （跳转条件不成立） && (此时非阻塞) 。一定要注意，阻塞时是不可清零的，因为此时还未获取最新的 GPR[rs] 和 GPR[rt] ，跳转条件成立与否未知。

本次课上 Q2 的指令 JTL ，属于条件跳转、无条件链接、清空延迟槽

jtl<br>100110rsrtoffset
65516

GTL 语言大致如下：

I：  
	 temp1 ← GPR[rs]+GPR[rt]
	 temp2 ← PC+4+sign_ext(offset||0^2)
	 GPR[31] ← PC+8
	 
II： 
	 if(temp2<temp1):
	 	PC ← temp2
	 else
	 	PC ← temp1
	 	NullifyCurrentInstruction()
⁡
注： 1.NullifyCurrentInstruction() 的意思是清空延迟槽
	2.相加不考虑溢出
	3.比较为无符号比较

笔者在实现时，在 CMP 模块中增加了 [31:0]jump ，专门用来计算 JTL 指令的跳转地址，并接到 NPC 模块上。同时将控制信号 NPCOp 拓展了一位，但是笔者最开始粗心忘记了在 NPC 模块也将其接口拓宽一位，导致 WA 了一会。

# 三、访存类

通常为条件访存， lw 的变式指令。需要改动的点主要是以下两个方面：

  • 条件：

    课下的 lw 指令计算出基地址后无条件写寄存器，而课上指令一般会加以条件。条件可能会用到 rt 甚至别的寄存器。

    如果只是用到 rt ，那么我们只添加一个该条件的组合逻辑即可，因为课下已经实现了此处 rt 的转发；

    如果是别的寄存器，譬如 $ra ，那么需要在 GRF 模块增加一个 raData 的输出端口，并将其流水至 M 级，同时增加与它相关的暂停、转发逻辑。

  • 访存：

    通常是根据条件，将数据写入指定寄存器。而这个指定寄存器大概率不再是 lw 的 rt 寄存器。

    此时也需要改变数据通路，实现方式比较容易，只需在 M 级更新被写寄存器的编号，即增加 A3M_new 的组合逻辑，然后令其替代原本的 A3M 即可。下面将以本次的课上题目为例进行说明。

本次课上 Q3 的指令 LWOC

lwoc<br>111110basertoffset
65516

其 RTL 语言大致如下

I:
    Addr ← GPR[base] + sign_ext(offset)
    word ← Memory[Addr]
    Re ← word3..0
    condition ← (word<0x80000000)
II:
	if(condition):
		GPR[Re] ← word
	else :
		GPR[rt] ← word

本指令比较简单，无条件取字，仅需修改被写入的寄存器

首先我们在 M 级增加 A3M_new 的组合逻辑。（这里 DM_resultM 在有些指令时可能是不定值，但此时 InstrOpM 一定不是 LWOC ，故不会影响条件判断）

<img src="https://cdn.jsdelivr.net/gh/BUAA-Yzx2023/ImageBed/202411151022967.png" style="zoom:80%;" />

然后将 暴力转发、暂停判断、MW 流水线寄存器里所有的 A3M 替换成 A3M_new 即可