# P6：较完善的流水线 CPU 设计

# 课下部分

P5 已经完成了流水线的大部分框架性工作了，P6 要做的主要就是三件事：按照教程要求改造 DM，添加乘除槽以及添加大量指令

要求实现的指令集为 MIPS-C3 ，即 LB、LBU、LH、LHU、LW、SB、SH、SW、ADD、ADDU、 SUB、SUBU、MULT、MULTU、DIV、DIVU、SLL、SRL、SRA、SLLV、 SRLV、SRAV、AND、OR、XOR、NOR、ADDI、ADDIU、ANDI、ORI、 XORI、LUI、SLT、SLTI、SLTIU、SLTU、BEQ、BNE、BLEZ、BGTZ、 BLTZ、BGEZ、J、JAL、JALR、JR、MFHI、MFLO、MTHI、MTLO，可以看出已经包括了除了浮点数运算和 CP0 协处理器之外的所有指令

第一件事情，也是最容易做的就是添加运算类的和跳转类的指令了，由于支持的指令非常非常多，建议用宏的方式，定义每一条指令的 opcode 和 funct ，例如单独建立一个文件 def.v 用于定义所有的控制信号和指令的 opcode 和 funct ，尽量避免在程序主体部分出现 magic number

跳转类的只需要添加 b 类跳转，由于按照 P5 的架构，由 D 级的 CMP 判断是否需要跳转，那么我们只需要修改 CMP 即可支持所有的指令

运算类的需要修改 ALU ，这里非常容易出现有符号数、无符号数， $signed ， $unsigned 的符号问题，建议根据课下给出的弱测数据逐一进行功能测试，确保无问题

由于 P5 的阻塞和转发是对于某一类指令做的，添加上面两类指令时必然不会出现其它新的转发阻塞问题，因此只需要将他们加到原有分类中即可

对于上面的问题，解决方案是单独分出两类，然后阻塞特殊判断，代码如下：

// control.v

assign shift_s = sll | srl | sra;

assign shift_v = sllv | srlv | srav;

// stall.v

assign D_Tuse_rt = (D_branch) ? 8'd0 :

                   (D_calc_r | D_md) ? 8'd1 :

                   (D_store) ? 8'd2 :

                   8'd3;

assign D_Tuse_rs = (D_branch | D_jump_reg) ? 8'd0 :

                   (D_calc_i | (D_calc_r & !D_shift_s) | D_load | D_store | D_mt | D_md) ? 8'd1 :

                   8'd3;

第二件事情是实现乘除槽，我们需要模拟乘除法的时延，因此乘法需要慢 5 个周期，除法需要慢 10 个周期，乘除槽有天然的 HI 和 LO 两个寄存器，因此除了 mflo, mfhi, mthi, mtlo 不需要考虑转发，但是需要考虑阻塞，我们这样做

// control.v

assign md = mult | multu | div | divu;

assign mt = mtlo | mthi;

assign mf = mflo | mfhi;

// stall.v

wire E_stall_mdu = ((D_md | D_mt | D_mf) && (E_MDU_Busy | E_MDU_Start));

assign Stall = E_stall_rs | E_stall_rt | M_stall_rs | M_stall_rt | E_stall_mdu;

注意在乘除槽处于运算过程中时，如果 D 级出现了任何与乘除槽有关的指令，我们都必须阻塞！

此外对于乘除槽内部，我们维护一个 tmp_HI 和 tmp_LO ，乘法需要慢 5 个周期，除法需要慢 10 个周期只是假象，我们在第一个周期就能算出结果，只是我们给他存入 tmp_HI 和 tmp_LO 里面，到规定的时延之后我们再把他们转存到 HI 和 LO 里面，像这样

if(cycle_cnt == 0) begin

	if(Start) begin

		Busy <= 1;

        if(MDUOp == `MDU_multu || MDUOp == `MDU_mult) cycle_cnt <= 5;

        else if(MDUOp == `MDU_div || MDUOp == `MDU_divu) cycle_cnt <= 10;

        if(MDUOp == `MDU_multu) {tmp_HI, tmp_LO} <= D1 * D2;

        else if(MDUOp == `MDU_mult) {tmp_HI, tmp_LO} <= $signed(D1) * $signed(D2);

        else if(MDUOp == `MDU_div) begin

        	tmp_LO <= $signed(D1) / $signed(D2);

            tmp_HI <= $signed(D1) % $signed(D2);

        end else if(MDUOp == `MDU_divu) begin

            tmp_LO <= D1 / D2;

            tmp_HI <= D1 % D2;              

        end    

	end else begin

		cycle_cnt <= 0;

	end

然后就是正常的状态机，每一次时钟上升沿 cycle_cnt 都会减 1，减到 1 的时候把 tmp_HI 和 tmp_LO 转存

if(cycle_cnt == 1) begin

	LO <= tmp_LO;

    HI <= tmp_HI;

    Busy <= 1'b0;

    cycle_cnt <= 0;

end else begin

    cycle_cnt <= cycle_cnt - 1;

end

第三件事 DM 改造，课程组今年已经给出了标准的 DM 实现，我们只需要调用对应的接口即可

这里我们用 BE 处理要写入的数据，使其符合规范，用 DE 处理读出的数据，使其符合 lh, lb, lhu, lbu, lw, lw 的要求

BE 的端口

DE 的端口

与接口进行交互的细节代码

// 与 DM 交互

M_BE _be(

	.BEOp(M_BEOp),

	.Addr(M_ALUAns),

	.rt_data(M_FWD_rt_data),

	.m_data_byteen(m_data_byteen),

	.m_data_wdata(m_data_wdata)

);

assign m_inst_addr = M_PC;

assign m_data_addr = M_ALUAns;

wire [31:0] M_DMRD;

M_DE _de(

	.DEOp(M_DEOp),

	.Addr(M_ALUAns),

	.m_data_rdata(m_data_rdata),

	.DMRD(M_DMRD)

);

// 正确输出 GRF 读写信息

assign w_grf_addr = W_GRFA3;

assign w_grf_wdata = W_GRFWD;

assign w_grf_we = W_GRFWrEn;

assign w_inst_addr = W_PC;

注意今年的 P6 也不需要在寄存器堆里面输出写入信息了，同样是调用 mips_tb.v 的接口即可

这一部分仔细读一读教程，然后在看一看提供的源代码就行，问题不大

# 课上部分

题目的考察离不开 P5 的那几种类型，逐一进行解释

# 第一类：运算类

# shl (swap HI LO)

这是第一次课上考试的题目，要求是交换 HI、LO 寄存器的值

可以直接这样加（注意非阻塞赋值的运用），非常容易

if(MDUOp == `MDU_shl) begin

    HI <= LO;

    LO <= HI;

end

# bds (big divide(unsigned) small)

给出 rs 和 rt 两个寄存器，用较大的那个数除以较小的那个数，注意是无符号除法

这是第二次课上考试的题目，也非常容易（注意无符号）

if(MDUOp == `MDU_bds) begin

    if(D1 > D2) begin

        tmp_LO <= D1 / D2;

        tmp_HI <= D1 % D2;

    end else begin

        tmp_LO <= D2 / D1;

        tmp_HI <= D2 % D1;  

    end

end

可以看出主要是关于乘除槽的计算，只要熟悉乘除槽的工作原理，第一题不难做出

# 第二类：条件跳转

# bezal

指令描述

指令行为

若 GPR[rt] = 0 ，则跳转到 GPR[rs] ，并且链接到 GPR[31]

解法

这是第二次上机考试的题目

对于条件跳转的题目，有两个不同性质：条件链接 / 无条件链接，清空 / 不清空延迟槽，本题显然是条件链接 + 不清空延迟槽

而且由于在 D 级我们就可以获得是否跳转，因此我们只需要修改 NPC 和 CMP 两个元件，明确 ** CMP 是用来比较产生是否跳转的结果的， NPC 是根据 CMP 的结果决定跳转到哪里去的 **，然后相应修改两个元件即可

我强烈建议大家课下搭建 CPU 时把是否跳转的 b_jump 信号跟着流水线一直传递到最后，因为条件链接需要根据 b_jump 信号来决定本条指令是写 5'd31 还是 5'd0 寄存器，在把 b_jump 连到 control 里面后只需要这样即可

// 要向寄存器中写入的值

assign GRFWDSel = (jump_link | branch_link) ? `WDSel_pc8 :

                  (load) ? `WDSel_dmrd :

                  (mf) ? `WDSel_mduans :

                  `WDSel_aluans;

// 要写入哪个寄存器

assign GRFA3 = (calc_r | jalr | mf) ? rd :

               (calc_i | load) ? rt :

    		   (jal | (branch_link && b_jump)) ? 5'd31 :		// 仅限条件链接

               5'd0;

对于清空延迟槽，P5 已经说过了，要注意在处于阻塞状态时不能立即清空延迟槽指令，因为这时候你得到的 b_jump 未必是正确的，代码如下：

// D_CMP.v

assign flush = (CMPOp == `CMP_bltzall && !jump);

// mips.v

assign FD_REG_Flush = CMP_flush && !Stall;

对于本题而言，跳转方式反而与 jr, jalr 类似，但是还是需要 CMP 的判断，因此考虑给 NPC 和 CMP 都添加新的控制信号，然后 CMP 按 rtData < 0 比较，NPC 按 jr 跳转，就可以轻松解决本题

# 类似的往年题

# blezalc

小于等于 0 时跳转并链接，显然也是跳转并链接并且不清空延迟槽，按照上述套路只需要改 CMP 即可，因为这条指令的跳转方式跟其他的 b 型指令一致

# 第三类：条件储存

属于是大 Boss 了，不论是什么样的条件储存题目，都有这样的特点：我们至少在 M 级之前都无法确切得知我们要写的寄存器和要写的值是什么，这就是条件储存的 “条件”

对于这类题目，我们认为最保险的情况就是当啥都知道的时候（即 W 级时），在一起处理所有的问题，即要写啥要写什么这两个问题

但是问题在于，在 W 级之前怎么办？

当我们不确定自己要写啥寄存器时，把当前要写的寄存器设置为 0 总是最保险的，这是因为我们不会处理向 0 号寄存器里面写的转发

至于要写啥有需要分成两种情况：一是一开始就知道要写的是 DM 的数据，二是那种如果满足某种情况就写 DM 数据，否则我们写其他数据（寄存器啊，PC+8 啊，PC+4 啊各种乱七八糟的...），但是由于我们是在 W 级才处理这些问题，所以无论写的是啥乱七八糟的东西，我们可以确定拿到的一定是正确的数据，结论是在 W 级之前，我们设置的写入寄存器的数据是啥都无所谓！

为什么呢？这就是下面要说的阻塞，我们对于条件储存的指令，阻塞的策略是：如果后面有这条指令，前面的寄存器需要读后面这条指令可能需要写的寄存器，在这里 lhogez 就是指 rt 和 31 号寄存器，再例如说下面的 lwmx 指令就是 4 号和 5 号寄存器，总之只要条件储存指令在流水线 W 级之前，并且后面的那条指令要读后面这条指令可能需要写的寄存器，就必须把它阻塞在 D 级，这样的话条件储存指令在 W 级之前根本不会向前转发，因此根本不需要特别关心设置的写入寄存器的数据是啥，阻塞时这样设置即可

wire E_stall_rs = ((E_lwmx ? (D_rs_addr == 5'd4 || D_rs_addr == 5'd5) : (E_GRFA3 == D_rs_addr)) && D_rs_addr != 0) && (E_Tnew > D_Tuse_rs);

wire E_stall_rt = ((E_lwmx ? (D_rt_addr == 5'd4 || D_rt_addr == 5'd5) : (E_GRFA3 == D_rt_addr)) && D_rt_addr != 0) && (E_Tnew > D_Tuse_rt);

wire M_stall_rs = ((M_lwmx ? (D_rs_addr == 5'd4 || D_rs_addr == 5'd5) : (M_GRFA3 == D_rs_addr)) && D_rs_addr != 0) && (M_Tnew > D_Tuse_rs);

wire M_stall_rt = ((M_lwmx ? (D_rt_addr == 5'd4 || D_rt_addr == 5'd5) : (M_GRFA3 == D_rt_addr)) && D_rt_addr != 0) && (M_Tnew > D_Tuse_rt);

assign Stall = E_stall_rs | E_stall_rt | M_stall_rs | M_stall_rt;

然后是条件如何判断？我们选择在 W 级判断，直接把判断逻辑写在 mips.v 或者 datapath 里面，生成一个 check 信号，然后连入 W 级的 control 里面去判断写什么，写哪里

但是这个时候前面 DEM 级的 control 会出现 check 信号是浮空值 z 的情况，这时候我们需要特殊用 === 语法进行判断，即得到浮空值，并且当前指令是条件储存，那么这时把要写的寄存器地址赋值成 5'd0 ，以 lhonez 指令和 lwer 指令为例，示例代码如下：

// mips.v

reg W_lhonez_check;

reg [31:0] W_lwer_dst;

always @(*) begin

	W_lwer_dst = (W_rt_data + W_DMRD) & 32'h1e;

end

always @(*) begin

	count1 = 0;

	for(i=0; i<16; i=i+1) if(W_DMRD[i] == 1'b1) count1 = count1 + 1;

	W_lhonez_check = (count1 > 8) ? 1'b1 : 1'b0;

end

control W_CTRL(

	.Instr(W_Instr),

    .b_jump(W_b_jump),

    .lhonez_check(W_lhonez_check),

    .lwer_dst(W_lwer_dst),

    .GRFA3(W_GRFA3),

    .GRFWDSel(W_GRFWDSel),

    .GRFWrEn(W_GRFWrEn)

);

// control.v

assign GRFWDSel = (jump_link | branch_link) ? `WDSel_pc8 :

                  ((load && !lhonez) || (lhonez && lhonez_check === 1'b1)) ? `WDSel_dmrd :

                  (lhonez && lhonez_check === 1'b0) ? `WDSel_pc4 :

                  (mf) ? `WDSel_mduans :

                  (jap) ? `WDSel_jap :

                  `WDSel_aluans;

assign GRFA3 = (lhonez && lhonez_check === 1'bz) ? 5'b0 :

               (lwer && lwer_dst === 32'bz) ? 5'b0 :

               (lwer && lwer_dst !== 32'bz) ? lwer_dst[4:0] :

               (calc_r | jalr | mf) ? rd :

               (calc_i | (load && !lwer && !lhonez) | (lhonez && lhonez_check === 1'b1)) ? rt :

               (jal | branch_link | (lhonez && lhonez_check === 1'b0)) ? 5'd31 :

               (jap) ? 5'd29 :

               5'd0;

lwer 指令还稍微有些不同，我们在 W 级确定的是写入的地址，因此我们传入的不再是 check 信号，而是寄存器地址

里面还有一些别的其它指令，后面会再说，先说一下 lwer 和 lhonez 以及本次课上考试指令的具体描述

# lwer

文字描述

从内存读出数 ( memword )，经表达式

(memword + GRF[rt]) & 0x1e

算出要写的寄存器编号（必为偶数），再将 memword 写入该寄存器

解法

这是 P6 第一次课上考试的题目

关键代码已经如上，具体思路就是在 W 级判断，其余数据相关指令阻塞到 D 级，注意这里的数据相关型指令是指要读的寄存器地址为偶数的指令

# lhonez

文字描述

从内存读出半字数据，比较该数据中数字 1 和 0 的个数的多少，1 多的情况下将该数据写入 rt 寄存器，否则将 PC+4 写入 31 号寄存器

解法

思路还是上面那样，总之在 W 级再判断，然后其他的数据相关指令阻塞到 D 级不会出问题，大致框架定下来之后，其他的就是细化如何判断，阻塞逻辑是什么（就是什么是数据相关的指令），然后把 check 信号连到 control 里面，注意一下特判浮空值，然后就不会有问题了

# lwmx

指令描述

指令行为

如果从内存中读出的 memword 值大于 GPR[rt] 则将 memword 写入 5 号寄存器中，否则写入 4 号寄存器中

解法

• 就不放代码了，详细说一说思路
• 首先明确数据相关的指令就是指需要读 4 号 5 号寄存器的指令，这些指令需要在 stall.v 中添加逻辑让其阻塞在 D 级
• 然后把判断放在 W 级，这时候我们需要把 rt_data 数据跟着流水线传递到 W 级（这时候的 rt_data 一定是正确的，想一想为什么？）
• 判断就是比大小，注意是有符号比较，然后生成 check 信号传入 W 级 control ，小心 DEM 级 control 的浮空值
• 在 control 里面添加逻辑根据 check 信号是 1'b0, 1'b1, 1'bz 设置正确的待写入寄存器地址
• 待写入寄存器的值从一开始就很明确，是读出的 memword ，所以没啥好说的

# 往届考试的相似题型

# lwld

读出来的 memword 如果满足 memword[1:0]==0 && memword >= 32'h3000 就写到 31 号寄存器，否则写到 rt 寄存器

典型的条件写，待写入的值很明确，就是 memword ，只需要在 W 级完成判断逻辑，在 stall.v 中完成阻塞逻辑即可

# 第四类：一些奇奇怪怪不能归入某一类的题目

# movz

文字描述

当 GRF[rt] > 0 时，将 GRF[rs] 写入 GRF[rd] ，否则不写

解法

• 好像是一条 R 型计算类指令，但是如果 GRF[rt] <= 0 时又不去写计算结果了
• 根据 Harahan 大佬的意见，本题可以看成计算类指令，但是需要在 ALU 中重新加入 ALU_check 判断 GRF[rt] > 0 ，然后信号沿着流水线传递，去确定写不写寄存器

# jap

文字描述

• 从编号为 29 号的寄存器读出数据，作为地址将 PC+8 写入内存
• 维护这个以 29 号寄存器的值为栈顶指针的栈（这个栈和内存里的栈一样是倒着长得），即让 29 号寄存器的值减 4 再写入 29 号寄存器
• 完成与 j 指令一摸一样的跳转操作

RTL 语言描述

Addr <- GRF[29]
mem[addr] <- PC + 8
GRF[29] <- GRF[29] - 4
PC <- PC[31:28]||imm26||00

解法

这一题的操作非常多，贯穿了整个数据通路，所以我们应当找到一条关键路径，这条路径最长而且时这条指令的中心任务

我认为关键路径应当是 GRF[29] <- GRF[29] - 4 ，其他的什么跳转和写内存都只是路径上顺便完成的任务而已

• 首先到了 D 级，我们应当顺便利用 NPC 完成跳转操作，因为是无条件跳转，因此这个任务是没有难度的，直接改 NPCOp 即可

• 然后到了 E 级，我们利用 ALU 完成 GRF[29] + 0 操作，得到的 ALUAns 是要写入的地址，而要写入寄存器的值敲好就是 ALUAns - 4 ，这一点特判即可，关于阻塞，这里我们在 E 级就需要用到 GRF[29] 的值，即$T_{use}\{jap\}=1$

• 然后到了 M 级，我们写入 DM 只需要改变 DMWrEn ，然后把 PC+8 作为写入数据即可，这时也应当特判

• 然后在 W 级，正常写入

需要注意的是：我们从 E 级开始就需要处理由于 jap 指令导致的 29 号寄存器数据的转发了

在上面的过程中，我们多次用到了特判，因此把 jap 归入哪一类指令都是不合适的，因此我们考虑单开一类，特殊处理