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自己动手写CPU之第六阶段(2)——移动操作指令实现思路

来源:互联网 作者:佚名 时间:2015-09-02 06:24
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21篇,我尽量每周四篇 6.2 移动操作指令实现思路 6.2.1 实现思路 这 6 条移动操作指令可以分为两类:一类是不涉及特殊寄存器 HI 、 LO 的指令,包括 movn 、 movz ;另一类是涉及特殊寄存器 H

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21篇,我尽量每周四篇


6.2 移动操作指令实现思路

6.2.1 实现思路

      这6条移动操作指令可以分为两类:一类是不涉及特殊寄存器HILO的指令,包括movnmovz;另一类是涉及特殊寄存器HILO的指令,包括mfhimflomthimtlo。前一类很好实现,基本思路与第5章实现逻辑、移位操作指令时类似,只需要修改IDEX模块即可。后一类涉及到特殊寄存器HILO,需要为OpenMIPS添加HILO寄存器,以及相应的读写控制。下面分别介绍各自的实现思路。

      1movnmovz指令实现思路

      与第5章逻辑、移位操作指令的实现过程类似。

      (1)在译码阶段给出运算类型alusel_o、运算子类型aluop_o、要写入的目的寄存器地址wd_o等信号的值,同时读取地址为rsrt的通用寄存器的值,但是这里需要新增一个步骤:依据读取的地址为rt的通用寄存器的值是否为0,判断是否要写目的寄存器。将上述结果送到执行阶段。

      (2)执行阶段依据传入的信号,确定最终要写目的寄存器的信息(包含:是否写、写入的目的寄存器地址、写入的值),并将这些信息传递到访存阶段。

      (3)上述信息会一直传递到回写阶段。最后,依据这些信息修改目的寄存器,或者不作任何修改。

      2mthimtlo指令实现思路

      这2条指令需要写HILO寄存器,与之前实现的通用寄存器一样,对HILO寄存器的写操作放在回写阶段进行。

      (1)在译码阶段依据指令,给出运算类型alusel_o、运算子类型aluop_o的值,同时读出地址为rs的通用寄存器的值。由于mthimtlo不写通用寄存器,所以wreg_oWriteDisablewd_o0

      (2)在执行阶段确定要写HILO寄存器的情况,以及要写入的值,并将这些信息传递到访存阶段。

      (3)访存阶段将这些信息再传递到回写阶段。

      (4)回写阶段依据这些信息修改HILO寄存器的值。

      3mfhimflo指令实现思路

      这2条指令需要读HILO寄存器,设计在执行阶段才能读取到。

      (1)在译码阶段依据指令,给出运算类型alusel_o、运算子类型aluop_o的值,同时因为有要写的目的寄存器,所以wreg_oWriteEnablewd_o为指令中rd的值,也就是目的寄存器地址。

      (2)在执行阶段获取HILO寄存器的值,作为要写入目的寄存器的数据,并将这些信息传递到访存阶段。

      (3)访存阶段将这些信息再传递到回写阶段。

      (4)回写阶段依据这些信息修改目的寄存器。

      添加移动操作指令后的数据流图如图6-2所示。


      对比图6-2与图5-7可以发现有如下区别。

  •  增加了HILO寄存器模块,并且该模块放在回写阶段。
  •  将HILO寄存器的值传递到执行阶段,在执行阶段增加了一个选择模块,用于选择要参与运算的数据,如果是mfhimflo指令,那么就会选择传递过来的HILO寄存器的值。

6.2.2 新的数据相关情况的解决

      进一步考虑mfhimflo指令的处理过程,这2条指令会在流水线执行阶段读取HILO寄存器的值,如果直接采用HILO模块给出的HILO寄存器的值,可能不是正确的HILO寄存器的值,因为此时处于访存、回写阶段的指令有可能会修改HILO寄存器,以如下程序为例。

1、    lui $1,0x0000          # $1 = 0x00000000
2、    lui $2,0xffff          # $1 = 0xffff0000
3、    mthi $0                # hi = 0x00000000
4、    mthi $1                # hi = 0x00000000
5、    mthi $2                # hi = 0xffff0000
6、    mfhi $4                # $4 = 0xffff0000

      指令345均要修改HI寄存器,当指令6处于执行阶段时,指令5处于访存阶段,指令4处于回写阶段,而此时HI寄存器的值是指令3刚刚写入的0x00000000HILO模块正是将该值传到执行阶段,如果采用这个值,那么就会出错,偏离程序设想,正确的值应该是当前处于访存阶段的指令5要写的数据,如图6-3所示。


      似曾相识,是不是?这就是上一章介绍过的数据相关问题,解决措施还是使用数据前推。将处于访存阶段、回写阶段的指令对HILO寄存器的操作信息反馈到执行阶段,执行阶段依据这些信息,确定HILO寄存器的正确值。

      为此,需要修改数据流图如图6-4所示,相比图6-3,主要增加的部分就是将访存阶段、回写阶段的信息反馈到执行阶段,输入到执行阶段的选择模块(图中粗线所示),如果处于执行阶段的是mfhimflo指令,那么就会从中选择HILO寄存器的正确值。


6.2.3 系统结构的修改

      为了实现移动操作指令需要对OpenMIPS系统结构进行补充完善,主要修改如图6-5所示。


      主要有三个方面。

      (1)增加了HILO模块,用于实现HILO寄存器。

      (2)执行阶段的EX模块增加了whilo_ohi_olo_o接口,分别表示是否要写HILO、要写入HI寄存器的值、要写入LO寄存器的值。这三个接口传递出来的,对HILO寄存器的修改信息会通过EX/MEMMEMMEM/WB三个模块一直传递到回写阶段,并最终传递给HILO模块。

      (3)执行阶段的EX模块增加了与HILO寄存器有关的输入接口,包括为解决HILO寄存器的数据相关问题而引入的接口,在6.3.3节会有详细介绍。

下一次会介绍移动操作指令实现,并给出代码,敬请关注!
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