开源软核学习笔记05（继续OpenMIPS开发笔记）——2014_1_31

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day3 的学习，增加一个or函数（其实好几个）

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首先，从流水线结构上来说，没有变化


有变化的，在上图标成了红色，即三个procedure

因为只是增加了函数，其中
andi ， xori ， lui 指令结构和day2 相比没有变化，都是有立即数的操作指令


而and ，or ，xor , nor 的指令结构不含立即数


所以在修改inst_decode 时，
andi ， xori ， lui 的译码和 ori 放在一起；
而 and ，or ，xor , nor放在一起。

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以 or 指令为例，译码时，
when EXE_OR =>
rfe1 := '1';
rfe2 := '1';
wreg :='1';
aluop := EXE_OR_OP;
alusel := EXE_RES_LOGIC;
inst_valid := '1';

其中rfe1 表示是否需要读取寄存器1，rfe2 表示是否需要读取寄存器2，wreg 表示是否
有要写的目的寄存器，aluop 表示ALU 要进行的算术操作
类型，alusel 表示ALU 算术操作的结果选择，inst_valid 表示指令是否有效。

共用
rdo := inst(15 downto 11);
rdo 表示要写的目的寄存器地址，

然后在op_select 中

elsif (r.m.waddr = r.e.rfa1 and r.m.wreg = '1' and r.e.rfe1 = '1') then
opdata1 := r.m.result; --与上一条指令存在数据相关

elsif (r.w.waddr = r.e.rfa1 and r.w.wreg = '1' and r.e.rfe1 = '1') then
opdata1 := r.w.result; --与上上一条指令存在数据相关

opdata1 选择数据，而不是立即数。同理opdata2

然后在logic_op 中，
when EXE_OR_OP =>
logicout := aluin1 or aluin2;
比较好理解。

这样就完成了day3的第一次理解。

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day4 -1 的理解

增加了移位指令
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感觉指令的增加，确实增加了记忆负担，因此对指令本身暂时不求甚解，还是把精力放在整体结构上。



从上图中，可以看出 执行 阶段变得更加复杂了，增加了两个procedure 来应付 移位指令的运算。

同时只需要更改已有的三个procedure中的一个。
在inst_decode 中，
增加对移位指令的译码。其中EXE_SLLV  EXE_SLRV  EXE_SLAV 放在一起，剩余的放在一起。

增加的shift_op 是完成移位功能运算的。

增加的alu_select 是用来选择 shift_op 还是 logic_op 的运算结果。

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day4 -1 暂时这样理解。

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day4 -2 的理解

增加了指令
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增加了 arithmetic 运算功能，执行阶段 更复杂了。


首先译码 需要增加 新指令的 译码，修改 inst_decode 。

然后，在执行阶段 新增加 arithmetic_op procedure，暂时不理解具体实现，只了解功能即可。

在 alu_select 加入 arithmetic_op 运算结果  的选择。

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day4 -2 的理解

和day4 -1的理解方式一致，避开了指令的具体实现过程，而是侧重流水线方式。

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day5-1 的理解

简单乘法指令的实现
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day 5-1 的内容是从 day 4-2 内容上发展的，这样在画流水线时，就显得臃肿。因为day5-1 与day4内容的独立性，同时为了简洁，流水线直接从day3发展，而不是day4。


首先是访存和回写阶段寄存器增加了
whilo : std_logic; --是否要写hi、lo 寄存器
hilo : std_logic_vector(63 downto 0); --要写入hi、lo 寄存器的值

在访存阶段，
          --将HI、LO的写信号传递到回写阶段
          v.w.whilo  := r.m.whilo;
          v.w.hilo   := r.m.hilo;

在执行阶段，（以day3 基准，而不是day4-2）
    --操作数选择，是立即数还是寄存器的值
    opdata_select(r, v, ex_opdata1, ex_opdata2);

    --向访存阶段传递要写的目的寄存器、是否要写入目的寄存器
    v.m.waddr := r.e.rd;
    v.m.wreg := r.e.wreg;   
   
    --调用过程logic_op进行逻辑运算，结果存储在ex_logic_res中
    logic_op(r, ex_opdata1, ex_opdata2, ex_logic_res);

    --调用过程mul_op进行乘法运算，结果存储在ex_mul_res中
    mul_op(r, ex_opdata1, ex_opdata2, ex_mul_res);
   
    --调用过程alu_select，依据操作类型，选择对应的运算结果存储到ex_result中
    alu_select(r, ex_logic_res, ex_shift_res, ex_arithmetic_res, ex_mul_res, ex_result);      
   
    --将最终的运算结果传递到访存阶段
    v.m.result := ex_result;

    --依据乘法结果，给出新的hilo、whilo的值
    set_new_hilo(r, v, ex_mul_res, v.m.hilo, v.m.whilo );

蓝色部分即为增加部分

多了两个procedure ， mul_op 和 set_new_hilo。
同时需要在inst_decode增加 对 简单乘法指令的译码。

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day5-2的理解

双周期乘法指令的实现
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双周期果然很难，看了好长时间才明白一点，先尝试一下，

上图中看不出双周期，原因是，有个选择，比如，

在执行阶段，
    if(r.e.cnt /= "00") then     --在inst_decode过程中依据指令设置r.e.cnt的值
            ex_stall_for_multicycle_inst := '1';     --对于多周期指令，设置该值为"1"，表示流水线因为
                                                     --多周期指令而暂停
            v.m.whilo := '0';
            v.m.wreg := '0';
          else
            ex_stall_for_multicycle_inst := '0';
    end if;

图中，是从r.e.cnt 直接连线到 v.m.whilo 和 w.m.wreg 和 pc （省略了ex_stall_for_multicycle_inst，因为效果一样）。

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变化最大的是，图中并未显示出来
    --如果正处于执行阶段的多周期指令，那么保存该指令的操作数，访存、
    --回写阶段的指令可以继续向前流转，同时保存执行阶段指令计算出的HI、Lo
    --的值，以及cnt的值，对多周期指令而言，每执行一个周期，cnt的值减1，
    --cnt为0表示当前是多周期指令的最后一个周期，
    if(ex_stall_for_multicycle_inst = '1') then
      rin.e.reg1 <= ex_opdata1;
      rin.e.reg2 <= ex_opdata2;   
      rin <= r;
      rin.e.cnt <= cnt_temp;        
      rin.e.hilo <= hilo_temp;
      rin.m <= v.m;                   --访存阶段继续向前流转
      rin.w <= v.w;                   --回写阶段继续向前流转
    else   
      rin <= v;                                                      
    end if;  

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对并发和顺序的回顾

在单周期和多周期的理解上遇到了困难
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首先复习一下，
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因为process内部是顺序执行的，但是具有并发特性，
（原文链接删除，怕审核耽误）

要分清楚执行赋值和完成赋值之间的区别
VHDL中PROCESS中的语句是顺序语句,但它们具有并行运行的特征.这是因为,信号量的赋值是在遇到end PROCESS这条语句的时候完成的,也就是说,在PROCESS中,只执行赋值,而真正的完成赋值(更新信号量的值)是在一个系统延时后才完成的,这个和变量不一样,变量是立即完成赋值的.

对信号来说,执行赋值是一个过程,它具有顺序的特征,而完成赋值是一个结果,它的发生才真正具有硬件描述语言最本质的并行的特征.也看下面的例子:

PROCESS(clk)

x <= a;  --信号，执行赋值
y <= b;  --信号，执行赋值
z := c;  --变量，执行并完成赋值

end PROCESS    --系统延时后，此句执行，此时x，y的值才被更新

尽管变量z最后才被赋值，但是他的值更新的时间要比x，y早一个系统延时。
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看完上面的引用后，坏消息是 以前的动画没有清楚区分 并行和顺序； 好消息是 在单周期不区分，不影响学习效果。

但是 就像本文开头的说明 自己在区别单周期和多周期 时遇到了困难，先试试 区分 并行和顺序。

以day3 为例，


左侧是立即执行，有顺序的；
右侧是并发的，要在下一个周期执行。

更新后的动画


下一步 计划 通过 day5-2 的细化， 尝试理解 单周期和 多周期的区别。

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单周期指令

用其它仿真来理解
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理解出现误差，单周期和多周期是针对指令的。


上图是day3 的modelsim 仿真图，因为是静态的，有效理解对出现者是个挑战。单周期指令。

而如果使用其它仿真工具，则效果较好，
ori    r1, r0, 15
ori    r1, r1, 35
ori    r1, r1, 130
ori    r1, r1, 66  ;complete


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上面的 mips simualtor 代码下载
搜索
MIPS五级整数流水线模拟系统
即可。

leishangwen

回复 7# oldbeginner


    佩服！厉害！过节不忘学习

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为什么在执行阶段控制 new pc的值

day5- 2 大boss
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OpenMIPS一直适合入门，直到 day 5 -2 ，虽然要讲的指令听起来很简单，把一条指令分成两次来处理，借用cnt 来表示 第一次处理还是 第二次处理。

遇到了困难是：
在执行阶段，有
if(r.e.cnt /= "00") then
ex_stall_for_multicycle_inst := '1';
v.m.whilo := '0';
v.m.wreg := '0';

然后，在取指阶段，
   elsif(ex_stall_for_multicycle_inst = '1') then
      --如果正处于执行阶段的是多周期指令，那么不改变pc的值
      v.f.pc := r.f.pc;      
    else
      --下一条指令是当前读取指令地址加4
      v.f.pc := r.f.pc(31 downto 2) + 1;  
    end if;

问题出在此时译码阶段 还有一条 另外的指令，
感觉应该在 译码阶段 就 设置 ex_stall_for_multicycle_inst

感觉应该调换顺序，

    --调用过程inst_decode
          inst_decode(r.d.inst, v.e.wreg, v.e.rd, v.e.aluop, v.e.alusel,
                      v.e.rfe1, v.e.rfe2, v.e.rfa1, v.e.rfa2, v.e.imm, v.e.cnt, v.e.inst_valid);

然后，
    if(v.e.cnt /= "00") then     --在inst_decode过程中依据指令设置ve.cnt的值
            ex_stall_for_multicycle_inst := '1';     --对于多周期指令，设置该值为"1"，表示流水线因为
                                                     --多周期指令而暂停
            v.m.whilo := '0';
            v.m.wreg := '0';
          else
            ex_stall_for_multicycle_inst := '0';
    end if;
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day 5-2 的modelsim 仿真图没有看懂，
考虑 先继续 后面的，最后再回头理解这里。

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回到吃饭问题来理解双周期

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小职工要吃双截棍，厨师自然要想办法了，一步做不出来，要分两步







双截棍制作第二周期


是这样吗？好像浪费了一碗面。