首页 > 代码库 > 自己动手写CPU之第七阶段（3）——简单算术操作指令实现过程（续）
自己动手写CPU之第七阶段（3）——简单算术操作指令实现过程（续）
将陆续上传本人写的新书《自己动手写CPU》，今天是第26篇，我尽量每周四篇
China-pub的预售地址如下（有目录、内容简介、前言）：
http://product.china-pub.com/3804025
亚马逊的预售地址如下，欢迎大家围观呵！
http://www.amazon.cn/dp/b00mqkrlg8/ref=cm_sw_r_si_dp_5kq8tb1gyhja4
为了实现简单算术指令，需要修改译码阶段的ID模块、执行阶段的EX模块，上一篇博文中已经介绍了对译码阶段ID模块的修改过程，本文继续介绍执行阶段EX模块的修改过程。
7.3.2 修改执行阶段的EX模块
译码阶段的结果会传递到执行阶段，执行阶段的EX模块会据此进行运算，所以需要修改执行阶段EX模块的代码，主要修改内容如下，完整代码可以参考本书附带光盘Code\Chapter7_1目录下的ex.v文件。
module ex(
......
);
reg[`RegBus] logicout;
reg[`RegBus] shiftres;
reg[`RegBus] moveres;
reg[`RegBus] HI;
reg[`RegBus] LO;
// 新定义了一些变量
wire ov_sum; // 保存溢出情况
wire reg1_eq_reg2; // 第一个操作数是否等于第二个操作数
wire reg1_lt_reg2; // 第一个操作数是否小于第二个操作数
reg[`RegBus] arithmeticres; // 保存算术运算的结果
wire[`RegBus] reg2_i_mux; // 保存输入的第二个操作数reg2_i的补码
wire[`RegBus] reg1_i_not; // 保存输入的第一个操作数reg1_i取反后的值
wire[`RegBus] result_sum; // 保存加法结果
wire[`RegBus] opdata1_mult; // 乘法操作中的被乘数
wire[`RegBus] opdata2_mult; // 乘法操作中的乘数
wire[`DoubleRegBus] hilo_temp; // 临时保存乘法结果，宽度为64位
reg[`DoubleRegBus] mulres; // 保存乘法结果，宽度为64位
......
/****************************************************************
*********** 第一段：计算以下5个变量的值 *********
*****************************************************************/
//（1）如果是减法或者有符号比较运算，那么reg2_i_mux等于第二个操作数
// reg2_i的补码，否则reg2_i_mux就等于第二个操作数reg2_i
assign reg2_i_mux = ((aluop_i == `EXE_SUB_OP) ||
(aluop_i == `EXE_SUBU_OP) ||
(aluop_i == `EXE_SLT_OP)) ?
(~reg2_i)+1 : reg2_i;
//（2）分三种情况：
// A、如果是加法运算，此时reg2_i_mux就是第二个操作数reg2_i，
// 所以result_sum就是加法运算的结果
// B、如果是减法运算，此时reg2_i_mux是第二个操作数reg2_i的补码，
// 所以result_sum就是减法运算的结果
// C、如果是有符号比较运算，此时reg2_i_mux也是第二个操作数reg2_i
// 的补码，所以result_sum也是减法运算的结果，可以通过判断减法
// 的结果是否小于零，进而判断第一个操作数reg1_i是否小于第二个操
// 作数reg2_i
assign result_sum = reg1_i + reg2_i_mux;
//（3）计算是否溢出，加法指令add、addi、减法指令sub执行的时候，
// 需要判断是否溢出，满足以下两种情况之一时，有溢出：
// A、reg1_i为正数，reg2_i_mux为正数，但是两者之和为负数
// B、reg1_i为负数，reg2_i_mux为负数，但是两者之和为正数
assign ov_sum = ((!reg1_i[31] && !reg2_i_mux[31]) && result_sum[31])
||((reg1_i[31] && reg2_i_mux[31]) && (!result_sum[31]));
//（4）计算操作数1是否小于操作数2，分两种情况：
// A、aluop_i为EXE_SLT_OP表示有符号比较运算，此时又分3种情况
// A1、reg1_i为负数、reg2_i为正数，显然reg1_i小于reg2_i
// A2、reg1_i为正数、reg2_i为正数，并且reg1_i减去reg2_i的值小于0
// （即result_sum为负），此时也有reg1_i小于reg2_i
// A3、reg1_i为负数、reg2_i为负数，并且reg1_i减去reg2_i的值小于0
// （即result_sum为负），此时也有reg1_i小于reg2_i
// B、无符号数比较的时候，直接使用比较运算符比较reg1_i与reg2_i
assign reg1_lt_reg2 = ((aluop_i == `EXE_SLT_OP))?
((reg1_i[31] && !reg2_i[31]) ||
(!reg1_i[31] && !reg2_i[31] && result_sum[31])||
(reg1_i[31] && reg2_i[31] && result_sum[31]))
:(reg1_i < reg2_i);
//（5）对操作数1逐位取反，赋给reg1_i_not
assign reg1_i_not = ~reg1_i;
/****************************************************************
**** 第二段：依据不同的算术运算类型，给arithmeticres变量赋值 ****
*****************************************************************/
always @ (*) begin
if(rst == `RstEnable) begin
arithmeticres <= `ZeroWord;
end else begin
case (aluop_i) // aluop_i就是运算类型
`EXE_SLT_OP, `EXE_SLTU_OP: begin
arithmeticres <= reg1_lt_reg2 ; // 比较运算
end
`EXE_ADD_OP, `EXE_ADDU_OP, `EXE_ADDI_OP, `EXE_ADDIU_OP:
begin
arithmeticres <= result_sum; // 加法运算
end
`EXE_SUB_OP, `EXE_SUBU_OP: begin
arithmeticres <= result_sum; // 减法运算
end
`EXE_CLZ_OP: begin // 计数运算clz
arithmeticres <= reg1_i[31] ? 0 : reg1_i[30] ? 1 :
reg1_i[29] ? 2 : reg1_i[28] ? 3 :
reg1_i[27] ? 4 : reg1_i[26] ? 5 :
reg1_i[25] ? 6 : reg1_i[24] ? 7 :
reg1_i[23] ? 8 : reg1_i[22] ? 9 :
reg1_i[21] ? 10 : reg1_i[20] ? 11 :
reg1_i[19] ? 12 : reg1_i[18] ? 13 :
reg1_i[17] ? 14 : reg1_i[16] ? 15 :
reg1_i[15] ? 16 : reg1_i[14] ? 17 :
reg1_i[13] ? 18 : reg1_i[12] ? 19 :
reg1_i[11] ? 20 : reg1_i[10] ? 21 :
reg1_i[9] ? 22 : reg1_i[8] ? 23 :
reg1_i[7] ? 24 : reg1_i[6] ? 25 :
reg1_i[5] ? 26 : reg1_i[4] ? 27 :
reg1_i[3] ? 28 : reg1_i[2] ? 29 :
reg1_i[1] ? 30 : reg1_i[0] ? 31 : 32 ;
end
`EXE_CLO_OP: begin // 计数运算clo
arithmeticres <= (reg1_i_not[31] ? 0 :
reg1_i_not[29] ? 2 :
reg1_i_not[28] ? 3 :
reg1_i_not[27] ? 4 :
reg1_i_not[26] ? 5 :
reg1_i_not[25] ? 6 :
reg1_i_not[24] ? 7 :
reg1_i_not[23] ? 8 :
reg1_i_not[22] ? 9 :
reg1_i_not[21] ? 10 :
reg1_i_not[20] ? 11 :
reg1_i_not[19] ? 12 :
reg1_i_not[18] ? 13 :
reg1_i_not[17] ? 14 :
reg1_i_not[16] ? 15 :
reg1_i_not[15] ? 16 :
reg1_i_not[14] ? 17 :
reg1_i_not[13] ? 18 :
reg1_i_not[12] ? 19 :
reg1_i_not[11] ? 20 :
reg1_i_not[10] ? 21 :
reg1_i_not[9] ? 22 :
reg1_i_not[8] ? 23 :
reg1_i_not[7] ? 24 :
reg1_i_not[6] ? 25 :
reg1_i_not[5] ? 26 :
reg1_i_not[4] ? 27 :
reg1_i_not[3] ? 28 :
reg1_i_not[2] ? 29 :
reg1_i_not[1] ? 30 :
reg1_i_not[0] ? 31 : 32) ;
end
default: begin
arithmeticres <= `ZeroWord;
end
endcase
end
end
/****************************************************************
************ 第三段：进行乘法运算 *************
*****************************************************************/
//（1）取得乘法运算的被乘数，如果是有符号乘法且被乘数是负数，那么取补码
assign opdata1_mult=(((aluop_i==`EXE_MUL_OP)||(aluop_i==`EXE_MULT_OP))
&& (reg1_i[31] == 1'b1)) ? (~reg1_i + 1) : reg1_i;
//（2）取得乘法运算的乘数，如果是有符号乘法且乘数是负数，那么取补码
assign opdata2_mult=(((aluop_i==`EXE_MUL_OP)||(aluop_i==`EXE_MULT_OP))
&& (reg2_i[31] == 1'b1)) ? (~reg2_i + 1) : reg2_i;
//（3）得到临时乘法结果，保存在变量hilo_temp中
assign hilo_temp = opdata1_mult * opdata2_mult;
//（4）对临时乘法结果进行修正，最终的乘法结果保存在变量mulres中，主要有两点：
// A、如果是有符号乘法指令mult、mul，那么需要修正临时乘法结果，如下：
// A1、如果被乘数与乘数，两者一正一负，那么需要对临时乘法结果
// hilo_temp求补码，作为最终的乘法结果，赋给变量mulres。
// A2、如果被乘数与乘数同号，那么hilo_temp的值就作为最终的
// 乘法结果，赋给变量mulres。
// B、如果是无符号乘法指令multu，那么hilo_temp的值就作为最终的乘法结果,
// 赋给变量mulres。
always @ (*) begin
if(rst == `RstEnable) begin
mulres <= {`ZeroWord,`ZeroWord};
end else if ((aluop_i == `EXE_MULT_OP)||(aluop_i == `EXE_MUL_OP))
begin
if(reg1_i[31] ^ reg2_i[31] == 1'b1) begin
mulres <= ~hilo_temp + 1;
end else begin
mulres <= hilo_temp;
end
end else begin
mulres <= hilo_temp;
end
end
/****************************************************************
*********** 第四段：确定要写入目的寄存器的数据 ************
*****************************************************************/
always @ (*) begin
wd_o <= wd_i;
// 如果是add、addi、sub、subi指令，且发生溢出，那么设置wreg_o为
// WriteDisable，表示不写目的寄存器
if(((aluop_i == `EXE_ADD_OP) || (aluop_i == `EXE_ADDI_OP) ||
(aluop_i == `EXE_SUB_OP)) && (ov_sum == 1'b1)) begin
wreg_o <= `WriteDisable;
end else begin
wreg_o <= wreg_i;
end
case ( alusel_i )
`EXE_RES_LOGIC: begin
wdata_o <= logicout;
end
`EXE_RES_SHIFT: begin
wdata_o <= shiftres;
end
`EXE_RES_MOVE: begin
wdata_o <= moveres;
end
`EXE_RES_ARITHMETIC: begin //除乘法外的简单算术操作指令
wdata_o <= arithmeticres;
end
`EXE_RES_MUL: begin //乘法指令mul
wdata_o <= mulres[31:0];
end
default: begin
wdata_o <= `ZeroWord;
end
endcase
end
/****************************************************************
*********** 第五段：确定对HI、LO寄存器的操作信息 ************
*****************************************************************/
always @ (*) begin
if(rst == `RstEnable) begin
whilo_o <= `WriteDisable;
hi_o <= `ZeroWord;
lo_o <= `ZeroWord;
end else if((aluop_i == `EXE_MULT_OP) ||
(aluop_i == `EXE_MULTU_OP)) begin //mult、multu指令
whilo_o <= `WriteEnable;
hi_o <= mulres[63:32];
lo_o <= mulres[31:0];
end else if(aluop_i == `EXE_MTHI_OP) begin
whilo_o <= `WriteEnable;
hi_o <= reg1_i;
lo_o <= LO;
end else if(aluop_i == `EXE_MTLO_OP) begin
whilo_o <= `WriteEnable;
hi_o <= HI;
lo_o <= reg1_i;
end else begin
whilo_o <= `WriteDisable;
hi_o <= `ZeroWord;
lo_o <= `ZeroWord;
end
end
endmodule上面的代码可以分为五段，大部分代码的含义都在注释中给出了详细解释，以下只做简要补充。
（1）第一段代码计算出如下几个变量的值。
- reg2_i_mux：如果是减法或者有符号比较运算，那么reg2_i_mux等于第二个操作数reg2_i的补码，否则reg2_i_mux就等于第二个操作数reg2_i。
- result_sum：加、减法的结果。
- ov_sum：指示加、减法是否溢出。
- reg1_lt_reg2：操作数1是否小于操作数2。
- reg1_i_not：操作数1各位取反后的值。
（2）第二段代码依据不同的算术运算类型，给变量arithmeticres赋值，此处只解释clz、clo指令的运算过程，其余指令的运算过程请参考程序注释。
- clz指令的作用是从最高位开始计数，直到遇到第一个1，所以在实现的时候就从最高位开始依次判断是否为1，如果为1，就给出当前已经数过的位数，如果没有为1的位，那么输出32。
- clo指令的作用是从最高位开始计数，直到遇到第一个0，效果等同于先将操作数取反，然后从最高位开始计数，直到遇到第一个1，所以在实现的时候就先对操作数取反，然后从最高位开始依次判断是否为1，如果为1，就给出当前已经数过的位数，如果没有为1的位，那么输出32。
（3）第三段代码进行乘法运算。对于有符号乘法，要先求补码，再相乘，最后进行乘法结果的修正。乘法结果保存在变量mulres中。
（4）第四段代码确定要写目的寄存器的情况，有以下两点说明。
- 如果是add、addi、sub、subi指令，且发生溢出，那么设置wreg_o为WriteDisable，这样就不会写目的寄存器。
- 如果是乘法指令以外的简单算术操作指令，那么将arithmeticres作为要写入目的寄存器的值。
- 如果是乘法指令mul，那么将乘法结果的低32位作为要写入目的寄存器的值。
（5）第五段代码确定对HI、LO寄存器的写信息。如果是乘法指令mult、multu，那么需要写HI、LO寄存器，所以设置whilo_o为WriteEnable，写入HI寄存器的值为乘法结果的高32位，写入LO寄存器的值为乘法结果的低32位。
下一步将验证简单算术指令的实现效果，敬请关注！
声明：以上内容来自用户投稿及互联网公开渠道收集整理发布，本网站不拥有所有权，未作人工编辑处理，也不承担相关法律责任，若内容有误或涉及侵权可进行投诉： 投诉/举报 工作人员会在5个工作日内联系你，一经查实，本站将立刻删除涉嫌侵权内容。