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Single-Cycle MIPS CPU
Introduction to Computer Systems II @ Fudan University, s...
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2020/04

Single-Cycle MIPS CPU

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Introduction to Computer Systems II @ Fudan University, spring 2020.

封面：「Moment」/「望月しいな」

Single-Cycle MIPS CPU

32 位单周期 MIPS 指令集 CPU，使用 SystemVerilog 编写。[^1]

1. MIPS 指令集

1.1 实现指令集一览

add     $rd, $rs, $rt                   # [rd] = [rs] + [rt]
sub     $rd, $rs, $rt                   # [rd] = [rs] - [rt]
and     $rd, $rs, $rt                   # [rd] = [rs] & [rt]
or      $rd, $rs, $rt                   # [rd] = [rs] | [rt]
slt     $rd, $rs, $rt                   # [rd] = [rs] < [rt] ? 1 : 0
sll     $rd, $rt, shamt                 # [rd] = [rt] << shamt
srl     $rd, $rt, shamt                 # [rd] = [rt] >> shamt
sra     $rd, $rt, shamt                 # [rd] = [rt] >>> shamt
addi    $rt, $rs, imm                   # [rt] = [rs] + SignImm
andi    $rt, $rs, imm                   # [rt] = [rs] & ZeroImm
ori     $rt, $rs, imm                   # [rt] = [rs] | ZeroImm
slti    $rt, $rs, imm                   # [rt] = [rs] < SignImm ? 1 : 0
lw      $rt, imm($rs)                   # [rt] = [Address]
sw      $rt, imm($rs)                   # [Address] = [rt]
j       label                           # PC = JTA
jal     label                           # [ra] = PC + 4, PC = JTA
jr      $rs                             # PC = [rs]
beq     $rs, $rt, label                 # if ([rs] == [rt]) PC = BTA
bne     $rs, $rt, label                 # if ([rs] != [rt]) PC = BTA
nop                                     # No operation

其中使用的符号释义如下：

  • [reg]：寄存器 $reg 中的内容
  • imm：I 类型指令的 16 位立即数字段
  • addr：J 类型指令的 26 位地址字段
  • label：指定指令地址的文本
  • SignImm：32 位符号扩展的立即数（= {{16{imm[15]}}, imm}）
  • ZeroImm：32 位 0 扩展的立即数（= {16'b0, imm}）
  • Address：[rs] + SignImm
  • [Address]：存储器单元 Address 地址中的内容
  • JTA：跳转目标地址（= {(PC + 4)[31:28], addr, 2'b0}）
  • BTA：分支目标地址（= PC + 4 + (SignImm << 2)）

1.2 对应机器码格式 [^2]

add:    0000 00ss ssst tttt dddd d--- --10 0000
sub:    0000 00ss ssst tttt dddd d--- --10 0010
and:    0000 00ss ssst tttt dddd d--- --10 0100
or:     0000 00ss ssst tttt dddd d--- --10 0101
slt:    0000 00ss ssst tttt dddd d--- --10 1010
sll:    0000 00ss ssst tttt dddd dhhh hh00 0000
srl:    0000 00-- ---t tttt dddd dhhh hh00 0010
sra:    0000 00-- ---t tttt dddd dhhh hh00 0011
addi:   0010 00ss ssst tttt iiii iiii iiii iiii
andi:   0011 00ss ssst tttt iiii iiii iiii iiii
ori:    0011 01ss ssst tttt iiii iiii iiii iiii
slti:   0010 10ss ssst tttt iiii iiii iiii iiii
lw:     1000 11ss ssst tttt iiii iiii iiii iiii
sw:     1010 11ss ssst tttt iiii iiii iiii iiii
j:      0000 10aa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa
jal:    0000 11aa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa
jr:     0000 00ss sss- ---- ---- ---- --00 1000
beq:    0001 00ss ssst tttt iiii iiii iiii iiii
bne:    0001 01ss ssst tttt iiii iiii iiii iiii
nop:    0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

2. 部件构成及分析

2.0 总览

CPU

如图所示为单周期 MIPS CPU 的整体概览。直观起见，先仅展示这几个模块。其中 mips 为 CPU 核心，imem 为指令储存器（Instruction Memory），dmem 为数据储存器（Data Memory）。

2.1 imem

Instruction Memory

指令储存器内置了 64 个 32 位寄存器，用于储存指令。

使用时从 A 读入指令地址（0x0 ~ 0x3F），从 RD 输出这个地址中的 32 位指令。

代码见这里。

2.2 dmem

Data Memory

数据储存器内置了 64 个 32 位寄存器，用于读写大量数据。其特点是容量大、读写速度慢（相较于寄存器）。

当写使能 WE 为 1 时，在时钟上升沿将数据 WD 写入地址 A；当写使能 WE 为 0 时，将地址 A 中的数据读入到 RD。

代码见这里。

2.3 mips

Core

CPU 核心可分为两个部分：control_unit 和 datapath，分别表示控制单元和数据通路。

代码见这里。

2.4 control_unit

Control Unit

控制单元负责解析输入的指令，决定各个控制信号。

实现中，先通过主译码器 main_dec 解码，对其中类型为 R-type 的指令再通过 ALU 译码器 alu_dec 解码。

代码见这里。实现中将控制信号集中赋值，省去了书写大量赋值语句的麻烦。

logic [13:0] bundle;
assign {reg_write_o, reg_dst_o, alu_src_o, alu_op_o,
        jump_o, branch_o, mem_write_o, mem_to_reg_o} = bundle;

always_comb begin
  unique case (op_i)
    6'b001000: bundle = 14'b10_01000_000_00_00;   // ADDI
    // ...
  endcase
end

2.4.1 main_dec

主译码器。完整真值表如下 [^3]：

指令 opcode funct rw rd alus aluop j br mw mr
add 000000 100000 1 1 00 100 000 00 0 0
sub 000000 100010 1 1 00 100 000 00 0 0
and 000000 100100 1 1 00 100 000 00 0 0
or 000000 100101 1 1 00 100 000 00 0 0
slt 000000 101010 1 1 00 100 000 00 0 0
sll 000000 000000 1 1 00 100 000 00 0 0
srl 000000 000010 1 1 00 100 000 00 0 0
sra 000000 000011 1 1 00 100 000 00 0 0
addi 001000 / 1 0 01 000 000 00 0 0
andi 001100 / 1 0 01 010 000 00 0 0
ori 001101 / 1 0 01 110 000 00 0 0
slti 001010 / 1 0 01 111 000 00 0 0
lw 100011 / 1 0 01 000 000 00 0 1
sw 101011 / 0 / 01 000 000 00 1 /
j 000010 / 0 / / / 001 / 0 /
jal 000011 / 1 0 / / 101 / 0 /
jr 001000 001000 0 / / / 010 / 0 /
beq 000100 / 0 / 00 001 000 01 0 /
bne 000101 / 0 / 00 001 000 10 0 /

（nop 实际上只是 sll 的特例，这里就省略了。）

表头使用了一些缩写，其中：

  • rw 即 reg_write，当需要写寄存器时为 1
  • rd 即 reg_dst，当指令类型为 R-type 时为 1，I-type 时为 0
  • alus 即 alu_src，alu_src[1] 决定 src_a 的取值，alu_src[0] 决定 src_b 的取值
    • alu_src[1] 为 0 时，src_a 为寄存器文件 RD1 读出值
    • alu_src[1] 为 1 时，src_a 为 instr[10:6]（需 32 位 0 扩展），用于移位操作 sll 等
    • alu_src[0] 为 0 时，src_b 为寄存器文件 RD2 读出值
    • alu_src[0] 为 1 时，src_b 为 instr_i[15:0]（需 32 位符号扩展），用于需要立即数计算的操作 addi 等
  • aluop 即 alu_op，与指令的映射关系已在表中给出；当指令为 beq, bne 时需要做减法，故值为 001
  • j 即 jump，当指令为 j, jal, jr 时分别为 001, 101, 010，只是我个人的实现方式，其效果在于届时 datapath 的代码写起来会相对方便
  • br 即 branch，当指令为 beq, bne 时分别为 01, 10
  • mw 即 mem_write，当需要写内存 dmem 时为 1，用于指令 sw
  • mr 即 mem_ro_reg，当需要将内存 dmem 读出的值写入寄存器时为 1，用于指令 lw

2.4.2 alu_dec

ALU 译码器。完整真值表如下 [^3]：

指令 alu_op funct alu_control
add 100 100000 0010
sub 100 100010 0110
and 100 100100 0000
or 100 100101 0001
slt 100 101010 0111
sll 100 000000 0011
srl 100 000010 1000
sra 100 000011 1001
addi, lw, sw 000 / 0010
beq, bne 001 / 0110
andi 010 / 0000
ori 110 / 0001
slti 111 / 0111

2.5 datapath

Datapath

图比较大，如果看不清字可以直接查看原图，不过接下来我会拆解开来讲其中的每个部件。

数据通路的作用就是将所有这些部件连接起来，传递各种信号。

代码见这里。

2.6 sign_ext

Sign Extension

符号扩展模块的作用是将 16 位的立即数符号扩展至 32 位。

使用时从 A 读入待扩展的数据，从 RESULT 输出扩展后的数据。

代码见这里。

2.7 adder

Adder

32 位加法器，用于计算 PC 值及跳转地址。

使用时读入 A 和 B，从 RESULT 输出 A 和 B 相加后的值。

代码见这里。

2.8 mux2 & mux4

2:1 Multiplexer

4:1 Multiplexer

多路复用器，用于数据多选一，操作数位数可改变。

使用时读入多路 DATA，从 RESULT 输出 SELECT 选择的那一路的数据。以 mux4 为例，SELECT 为 00, 01, 10, 11 时分别输出 DATA0, DATA1, DATA2, DATA3 的值。

图中 mux4 只输入了 3 个 DATA，是因为这里只需要用到 3 个。教材的电路设计中并没有用到 mux4，我引入 mux4 的目的是为了简化 pc_next 和 write_reg 的选择电路。

对于 pc_next（新的 PC 值），其值的选择逻辑如下（部分符号释义见第 1 节，下同）：

  • 一般情况下，pc_next = PC + 4；由 pc_src 信号控制 pc_branch_next_mux2 选择，此时 pc_src 为 0
  • 对于指令 beq, bne，pc_next = BTA；由 pc_src 信号控制 pc_branch_next_mux2 选择，此时 pc_src 为 1，jump[1:0] 为 00
  • 对于指令 j, jal，pc_next = JTA；由 jump 信号控制 pc_next_mux4 选择，此时 pc_src 为 1，jump[1:0] 为 01
  • 对于指令 jr，pc_next = [rs]；由 jump 信号控制 pc_next_mux4 选择，此时 pc_src 为 1，jump[1:0] 为 10

对于 write_reg（写入的目标寄存器），由 reg_dst 和 jump 信号控制 write_reg_mux4 选择，其值的选择逻辑如下：

  • 对于 I-type 指令，write_reg = [rt]；此时 reg_dst 为 0，jump[2] 为 0
  • 对于 R-type 指令，write_reg = [rd]；此时 reg_dst 为 1，jump[2] 为 0
  • 对于指令 jal，write_reg = $ra；此时 jump[2] 为 1

对于 write_reg_data（写入目标寄存器的数据），其值的选择逻辑如下：

  • 一般情况下，write_reg_data = alu_result，其中 alu_result 为 ALU 运算结果；由 mem_to_reg 信号控制 result_mux2 选择，此时 mem_to_reg 为 0，jump[2] 为 0
  • 对于指令 lw，write_reg_data = [Address]；由 mem_to_reg 信号控制 result_mux2 选择，此时 mem_to_reg 为 1，jump[2] 为 0
  • 对于指令 jal，write_reg_data = PC + 4；由 jump 信号控制 write_reg_data_mux2 选择，此时 jump[2] 为 1

代码见这里。

2.9 reg_file

Register File

寄存器文件内置了 32 个 32 位寄存器，用于读写临时数据。

使用时从 A1 和 A2 分别读入地址（0x0 ~ 0x1F）以指定寄存器，然后从 RD1 和 RD2 分别输出对应寄存器中的 32 位数据。其中 0 号寄存器的值始终为 0，因此在实现中直接返回 0。当写使能 WE3 为 1 时，在时钟上升沿将数据 WD3 写入地址 WA3 指定的寄存器。当重置信号 RST 为 1 时，清空所有寄存器中的数据。

代码见这里。

2.10 flip_flop

Flip-flop

触发器，用于储存 PC。

在时钟上升沿将新的 PC 值 D 写入。当重置信号 RST 为 1 时，将 PC 异步清零。

代码见这里。

2.11 alu

ALU

算术逻辑单元（ALU），用于加减、位运算等算术操作。

ALU 根据 ALU_CONTROL 信号决定对操作数 A 和 B 进行何种运算，从 RESULT 输出运算结果，从 ZERO 输出结果是否为 0。其中 ALU_CONTROL 由控制单元根据 alu_op 和 funct 决定。具体映射表如下：

alu_control result 指令
0000 a & b and, andi
0001 a | b or, ori
0010 a + b add, addi, lw, sw
0011 b << a sll
0100 a & ~b /
0101 a | ~b /
0110 a - b sub, beq, bne
0111 a < b ? 1 : 0 slt, slti
1000 b >> a srl
1001 b >>> a sra

代码见这里。

3. 样例测试

3.1 测试结果

Benchtest 1 ~ 3

Benchtest 4 ~ 6

3.2 测试环境

  • OS: Windows 10 Version 2004 (OS Build 19041.172)
  • Using Vivado v2019.1 (64-bit)

4. 贡献者

5. 许可协议

This project is licensed under the GNU General Public License v3.0 - see the LICENSE file for details.

6. 参考资料

[^1]: David Money Harris, Sarah L. Harris: Digital Design and Computer Architecture Second Edition
[^2]: MIPS Instruction Set · MIPT-ILab/mipt-mips Wiki
[^3]: 361 Computer Architecture Lecture 9: Designing Single Cycle Control

版权声明：本文为原创文章，版权归 Hakula 所有。

本文链接：https://hakula.xyz/comp_arch/single_cycle_mips.html

本文采用 CC BY-NC-SA 4.0 许可协议 进行许可。

最后修改：2020-06-05
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