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自己动手写CPU之第七阶段（2）——简单算术操作指令实现过程
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7.2 简单算术操作指令实现思路
虽然简单算术操作指令的数目比较多，有15条，但实现方式都是相似的，与前几章逻辑、移位操作指令的实现方式也很类似，不需要增加新的模块、新的接口，只需要修改流水线译码阶段的ID模块、执行阶段的EX模块即可。实现思路如下。
（1）修改流水线译码阶段的ID模块，添加对上述简单算术操作指令的译码，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等信息，同时根据需要读取地址为rs、rt的通用寄存器的值。
（2）修改流水线执行阶段的EX模块，依据传入的信息，进行运算，得到运算结果，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，最后修改目的寄存器。
7.3 修改OpenMIPS以实现简单算术操作指令
7.3.1 修改译码阶段的ID模块
在译码阶段要增加对简单算术操作指令的分析，分析的前提是能判断出指令种类，根据图7-1至7-4可以给出如图7-5所示的确定指令种类的过程。
其中涉及的宏定义如下，正是图7-5中各个指令的指令码或功能码。在本书附带光盘Code\Chapter7_1目录下的defines.v文件中可以找到这些宏定义。
`define EXE_SLT 6'b101010 `define EXE_SLTU 6'b101011 `define EXE_SLTI 6'b001010 `define EXE_SLTIU 6'b001011 `define EXE_ADD 6'b100000 `define EXE_ADDU 6'b100001 `define EXE_SUB 6'b100010 `define EXE_SUBU 6'b100011 `define EXE_ADDI 6'b001000 `define EXE_ADDIU 6'b001001 `define EXE_CLZ 6'b100000 `define EXE_CLO 6'b100001 `define EXE_MULT 6'b011000 `define EXE_MULTU 6'b011001 `define EXE_MUL 6'b000010 ...... `define EXE_SPECIAL_INST 6'b000000 `define EXE_REGIMM_INST 6'b000001 `define EXE_SPECIAL2_INST 6'b011100
修改ID模块的代码如下，完整代码位于本书附带光盘Code\Chapter7_1目录下的id.v文件。
module id(
......
);
......
always @ (*) begin
if (rst == `RstEnable) begin
......
end else begin
aluop_o <= `EXE_NOP_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_NOP;
wd_o <= inst_i[15:11]; // 默认目的寄存器地址wd_o
wreg_o <= `WriteDisable;
instvalid <= `InstInvalid;
reg1_read_o <= 1'b0;
reg2_read_o <= 1'b0;
reg1_addr_o <= inst_i[25:21]; // 默认的reg1_addr_o
reg2_addr_o <= inst_i[20:16]; // 默认的reg2_addr_o
imm <= `ZeroWord;
case (op)
`EXE_SPECIAL_INST: begin // op等于SPECIAL
case (op2)
5'b00000: begin // op2等于5'b00000
case (op3)
......
`EXE_SLT: begin // slt指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EXE_SLT_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_ARITHMETIC;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b1;
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_SLTU: begin // sltu指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EXE_SLTU_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_ARITHMETIC;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b1;
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_ADD: begin // add指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EXE_ADD_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_ARITHMETIC;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b1;
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_ADDU: begin // addu指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EXE_ADDU_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_ARITHMETIC;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b1;
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_SUB: begin // sub指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EXE_SUB_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_ARITHMETIC;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b1;
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_SUBU: begin // subu指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EXE_SUBU_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_ARITHMETIC;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b1;
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_MULT: begin // mult指令
wreg_o <= `WriteDisable;
aluop_o <= `EXE_MULT_OP;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b1;
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_MULTU: begin // multu指令
wreg_o <= `WriteDisable;
aluop_o <= `EXE_MULTU_OP;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b1;
instvalid <= `InstValid;
end
default: begin
end
endcase // end case op3
end
default: begin
end
endcase // end case op2
end
......
`EXE_SLTI: begin // slti指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EXE_SLT_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_ARITHMETIC;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b0;
imm <= {{16{inst_i[15]}}, inst_i[15:0]};
wd_o <= inst_i[20:16];
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_SLTIU: begin // sltiu指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EXE_SLTU_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_ARITHMETIC;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b0;
imm <= {{16{inst_i[15]}}, inst_i[15:0]};
wd_o <= inst_i[20:16];
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_ADDI: begin // addi指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EXE_ADDI_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_ARITHMETIC;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b0;
imm <= {{16{inst_i[15]}}, inst_i[15:0]};
wd_o <= inst_i[20:16];
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_ADDIU: begin // addiu指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EXE_ADDIU_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_ARITHMETIC;
reg1_read_o <= 1'b1; reg2_read_o <= 1'b0;
imm <= {{16{inst_i[15]}}, inst_i[15:0]};
wd_o <= inst_i[20:16];
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_SPECIAL2_INST: begin // op等于SPECIAL2
case ( op3 )
`EXE_CLZ: begin // clz指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EXE_CLZ_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_ARITHMETIC;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b0;
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_CLO: begin // clo指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EXE_CLO_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_ARITHMETIC;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b0;
instvalid <= `InstValid;
end
`EXE_MUL: begin // mul指令
wreg_o <= `WriteEnable;
aluop_o <= `EXE_MUL_OP;
alusel_o <= `EXE_RES_MUL;
reg1_read_o <= 1'b1;
reg2_read_o <= 1'b1;
instvalid <= `InstValid;
end
default: begin
end
endcase //EXE_SPECIAL_INST2 case
end
default: begin
end
endcase //case op
......
endmodule对任一条指令而言，译码工作的主要内容是：确定要读取的寄存器情况、要执行的运算、要写的目的寄存器等三个方面的信息。下面对其中几个典型指令的译码过程进行解释。
1、add指令的译码过程
add指令译码需要设置的三个方面内容如下，addu、sub、subu指令的译码过程可以参考add指令。
（1）要读取的寄存器情况：add指令需要读取rs、rt寄存器的值，所以设置reg1_read_o、reg2_read_o为1。默认通过Regfile模块读端口1读取的寄存器地址reg1_addr_o的值是指令的21-25bit，正是add指令中的rs，默认通过Regfile模块读端口2读取的寄存器地址reg2_addr_o的值是指令的16-20bit，正是add指令中的rt。所以最终译码阶段的输出reg1_o就是地址为rs的寄存器的值，reg2_o就是地址为rt的寄存器的值。
（2）要执行的运算：add指令是算术运算中的加法操作，所以此处将alusel_o赋值为EXE_RES_ARITHMETIC，aluop_o赋值为EXE_ADD_OP。
（3）要写入的目的寄存器：add指令需要将结果写入目的寄存器，所以设置wreg_o为WriteEnable，设置wd_o为要写入的目的寄存器地址，默认是指令字的11-15bit，正是add指令中的rd。
2、addi指令的译码过程
addi指令译码需要设置的三个方面内容如下，addiu、subi、subiu指令的译码过程可以参考addi指令。
（1）要读取的寄存器情况：addi指令只需要读取rs寄存器的值，所以设置reg1_read_o为1、reg2_read_o为0。默认通过Regfile模块读端口1读取的寄存器地址reg1_addr_o的值是指令的21-25bit，正是addi指令中的rs。设置reg2_read_o为0，表示使用立即数作为参与运算的第二个操作数。imm就是指令中的立即数进行符号扩展后的值。所以最终译码阶段的输出reg1_o就是地址为rs的寄存器的值，reg2_o就是imm的值。
（2）要执行的运算：addi指令是算术运算中的加法操作，所以此处将alusel_o赋值为EXE_RES_ARITHMETIC，aluop_o赋值为EXE_ADDI_OP。
（3）要写入的目的寄存器：addi指令需要将结果写入目的寄存器，所以设置wreg_o为WriteEnable，设置要写入的目的寄存器地址wd_o是指令中16-20bit的值，正是addi指令中的rt。
3、slt指令的译码过程
slt指令译码需要设置的三个方面内容如下，sltu指令的译码过程可以参考slt指令。
（1）要读取的寄存器情况：slt指令需要读取rs、rt寄存器的值，所以设置reg1_read_o、reg2_read_o为1。默认通过Regfile模块读端口1读取的寄存器地址reg1_addr_o的值是指令的21-25bit，正是slt指令中的rs，默认通过Regfile模块读端口2读取的寄存器地址reg2_addr_o的值是指令的16-20bit，正是slt指令中的rt。所以最终译码阶段的输出reg1_o就是地址为rs的寄存器的值，reg2_o就是地址为rt的寄存器的值。
（2）要执行的运算：slt指令是算术运算中的比较操作，所以此处将alusel_o赋值为EXE_RES_ARITHMETIC，aluop_o赋值为EXE_SLT_OP。
（3）要写入的目的寄存器：slt指令需要将结果写入目的寄存器，所以设置wreg_o为WriteEnable，设置wd_o为要写入的目的寄存器地址，默认是指令11-15bit的值，正是slt指令中的rd。
4、slti指令的译码过程
slti指令译码需要设置的三个方面内容如下，sltiu指令的译码过程可以参考slti指令。
（1）要读取的寄存器情况：slti指令只需要读取rs寄存器的值，所以设置reg1_read_o为1、reg2_read_o为0。默认通过Regfile模块读端口1读取的寄存器地址reg1_addr_o的值是指令的21-25bit，正是slti指令中的rs。设置reg2_read_o为0，表示使用立即数作为运算的第二个操作数。imm就是指令中的立即数进行符号扩展后的值。所以最终译码阶段的输出reg1_o就是地址为rs的寄存器的值，reg2_o就是imm的值。
（2）要执行的运算：slti指令是算术运算中的比较操作，所以此处将alusel_o赋值为EXE_RES_ARITHMETIC，aluop_o赋值为EXE_SLT_OP。
（3）要写入的目的寄存器：slti指令需要将结果写入目的寄存器，所以设置wreg_o为WriteEnable，设置要写入的目的寄存器地址wd_o是指令中16-20bit的值，正是slti指令中的rt。
5、mult指令的译码过程
mult指令译码需要设置的三个方面内容如下，multu指令的译码过程可以参考mult指令。
（1）要读取的寄存器情况：mult指令需要读取rs、rt寄存器的值，所以设置reg1_read_o、reg2_read_o为1。默认通过Regfile模块读端口1读取的寄存器地址reg1_addr_o的值是指令的21-25bit，正是mult指令中的rs，默认通过Regfile模块读端口2读取的寄存器地址reg2_addr_o的值是指令的16-20bit，正是mult指令中的rt。所以最终译码阶段的输出reg1_o就是地址为rs的寄存器的值，reg2_o就是地址为rt的寄存器的值。
（2）要执行的运算：mult指令是乘法操作，并且乘法结果不需要写入通用寄存器，而是写入HI、LO寄存器，所以此处将alusel_o保持为默认值EXE_RES_NOP，aluop_o赋值为EXE_MULT_OP。
（3）要写入的目的寄存器：mult指令不需要写通用寄存器，所以设置wreg_o为WriteDisable。
6、mul指令的译码过程
mul指令译码需要设置的三个方面内容如下。
（1）要读取的寄存器情况：mul指令需要读取rs、rt寄存器的值，所以设置reg1_read_o、reg2_read_o为1。默认通过Regfile模块读端口1读取的寄存器地址reg1_addr_o的值是指令的21-25bit，正是mul指令中的rs，默认通过Regfile模块读端口2读取的寄存器地址reg2_addr_o的值是指令的16-20bit，正是mul指令中的rt。所以最终译码阶段的输出reg1_o就是地址为rs的寄存器的值，reg2_o就是地址为rt的寄存器的值。
（2）要执行的运算：mul指令是乘法操作，并且乘法结果是写入通用寄存器，所以此处将alusel_o赋值为EXE_RES_MUL，aluop_o赋值为EXE_MUL_OP。
（3）要写入的目的寄存器：mul指令需要将结果写入目的寄存器，所以设置wreg_o为WriteEnable，设置wd_o为要写入的目的寄存器地址，默认是指令字的11-15bit，正是mul指令中的rd。
7、clo指令的译码过程
clo指令译码需要设置的三个方面内容如下。clz指令的译码过程可以参考clo指令。
（1）要读取的寄存器情况：clo指令只需要读取rs寄存器的值，所以设置reg1_read_o为1、reg2_read_o为0。默认通过Regfile模块读端口1读取的寄存器地址reg1_addr_o的值是指令的21-25bit，正是clo指令中的rs。所以最终译码阶段的输出reg1_o就是地址为rs的寄存器的值。
（2）要执行的运算：clo指令是算术运算中的计数操作，所以此处将alusel_o赋值为EXE_RES_ARITHMETIC，aluop_o赋值为EXE_CLO_OP。
（3）要写入的目的寄存器：clo指令需要将结果写入目的寄存器，所以设置wreg_o为WriteEnable，设置wd_o为要写入的目的寄存器地址，默认是指令字的11-15bit，正是clo指令中的rd。
为了实现简单算术指令，今天修改了译码阶段，下一次将修改执行阶段，敬请关注！