《自己动手写CPU》--第九章--学习笔记

章将实现MIPS32指令集架构中定义的加载存储指令，分两步：首先实现除ll、sc指令外的一般加载存储指令，其次实现比较特殊的加载存储指令ll、sc。

9.1加载存储指令说明

MIPS32指令集架构中定义的加载存储指令共有14条，如下：

--8条加载指令：lb、lbu、lh、lhu、ll、lw、lwl、lwr

--6条存储指令：sb、sc、sh、sw、swl、swr

9.1.1加载指令lb、lbu、lh、lhu、lw说明

这5条加载指令可以根据指令中26~31bit的指令码加以区分，另外，加载指令的第0~15bit是offset、第21~15bit是base，加载地址的计算方法如下，先将16位的offset符号扩展至32位，然后与地址为base的通用寄存器的值相加，即可得到加载地址。

加载地址 = signed_extended(offset) + GPR[base]

9.1.2存储指令sb、sh、sw说明

从图9-2可知，这3条存储指令可以根据指令中26~31bit的指令码加以区分，另外，存储指令的第0~15bit是offset、第21~25bit是base，存储地址的计算方法如下，先将16位的offset符号扩展至32位，然后与地址为base的通用寄存器的值相加，即可得到存储地址。

存储地址 = signed_extended(offset) + GPR[base]

9.1.3加载存储指令用法示例

OPenMIPS处理器是按照字节寻址，并且是大端模式，在这种模式下，数据的高位保存在存储器的低地址中，而数据的低位保存在存储器的高地址中。比如：使用指令sb在0x50处存储0x81，存储器的实际存储效果如图所示。

9.1.4加载指令lwl、lwr说明

9.1.5存储指令swl、swr说明

2加载存储指令实现思路

节介绍除了ll、sc之外的加载存储指令的实现思路,ll、sc指令的实现思路将在9.7节专题介绍

1.加载指令实现思路

加载指令在译码阶段进行译码，得到运算类型alusel_o、aluop_o，以及要写的目的寄存器信息。这些信息传递到执行阶段，然后又传递到访存阶段，访存阶段依据这些信息，设置对数据存储器RAM的访问信号。从RAM读取回来的数据需要按照加载指令的类型、加载地址进行对齐调整，调整后的结果作为最终要写入的目的寄存器的数据。

2.存储指令实现思路

存储指令在译码阶段进行译码，得到运算类型alusel_o、aluop_o，以及要存储的数据，这些信息传递到执行阶段，然后又传递到访存阶段，访存阶段依据这些信息，设置对数据存储器RAM的访问信号，将数据写入RAM。

需要特别注意的是：本章假设可以在一个时钟周期内完成对外部数据存储器RAM的读写操作，在后续章节实现实践版OpenMIPS处理器的时候会考虑复杂情况。

9.2.1数据流图的修改

为了实现除ll、sc之外的加载存储指令，修改数据流图。主要是在访存阶段增加了对数据存储器RAM的访问，同时，由于要写入目的寄存器的数据可能是执行阶段的结果，也可能是在访存阶段从数据存储器RAM加载得到的数据，所以在访存阶段增加了一个多路选择器，进行选择。

9.2.2系统结构的修改

为了实现除ll、sc之外的加载存储指令，需要对系统结构进行修改，增加部分模块的接口。

主要修改内容如下。

(1)译码阶段的ID模块增加了输出信号inst_o，其值就是处于译码阶段的指令，该信号会传递到执行阶段，在执行阶段的EX模块会利用该信号的值计算加载、存储地址mem_addr_o.

(2)执行阶段的EX模块将运算子类型aluop_o、加载存储地址mem_addr_o、读取的第二个操作数reg2_o等信息，通过EX/MEM模块传递到访存阶段的MEM模块。

(3)访存阶段的MEM模块依据加载、存储指令的类型，确定对数据存储器RAM的访问信息，通过mem_ce_o接口送出数据存储器使能信号，mem_addr_o接口送出访问地址，mem_we_o接口指出是加载还是存储操作、mem_sel_o接口送出字节选择信号，如果是存储指令，那么还通过mem_data_o接口输出要存储的数据，如果是加载指令，那么会从mem_data_i接口获得读取到的数据，然后MEM模块依据具体的加载指令类型、加载地址，对获取的数据进行对齐调整，最终得到要写入目的寄存器的数据。

9.3修改OpenMIPS以实现加载存储指令

9.3.1修改译码阶段

1.修改ID模块

ID模块要增加接口inst_o.在ID模块还要增加对加载存储指令的分析，这些指令的指令码都是不同的，所以可以直接依据指令码确定是哪一种指令

译码工作主要是确定要写的目的寄存器、要读取的寄存器和要执行的运算三个方面。以下对几个有代表性的指令的译码过程进行说明。

(1)lb指令

--要写的目的寄存器：加载指令lb需要将加载结果吸入目的寄存器，所以设置wreg_o为WriteEnable，同时可知，要写的目的寄存器地址是指令中的第16~20bit，所以设置wd_o为inst[20:16]。

--要读取的寄存器：计算加载目标地址需要使用地址为base的寄存器值，所以设置reg1_read_o为1，表示通过RegFile模块的读端口1读取寄存器的值，默认读取的寄存器地址reg1_addr_o是指令的第21~25bit，正是lb指令中的base。所以最终译码阶段的输出reg1_o就是地址为base的寄存器的值。

--要执行的运算：设置alusel_o为EXE_RES_LOAD_STORE，表示运算类型是加载存储，设置aluop_o为EXE_LB_OP，表示运算子类型是字节加载lb.

lbu、lh、lhu、lw指令与lb指令的译码过程类似，知识aluop_o的值不同。

(2)lwl指令

--要写的目的寄存器：加载指令lwl需要将加载结果吸入目的寄存器，所以设置wreg_o为WriteEnable，同时可知，要写的目的寄存器地址是指令中的第16~20bit，所以设置wd_o为inst[20:16]。

--要读取的寄存器：计算加载目标地址需要使用地址为base的寄存器值，所以设置reg1_read_o为1，表示通过RegFile模块的读端口1读取寄存器的值，默认读取的寄存器地址reg1_addr_o是指令的第21~25bit，正是lwl指令中的base。所以最终译码阶段的输出reg1_o就是地址为base的寄存器的值。此外，由于lwl指令只是部分地修改目的寄存器，因此，设置reg2_read_o也为1表示通过RegFile模块的读端口2读取寄存器的值，默认读取的寄存器地址reg2_addr_o是指令的第16~20bit，正是lwl指令中的rt。所以最终译码阶段的输出reg2_o就是地址为rt的寄存器的值。

--要执行的运算：设置alusel_o为EXE_RES_LOAD_STORE，表示运算类型是加载存储，设置aluop_o为EXE_LWL_OP，表示运算子类型是字节加载lwl.

lwr指令与lwl指令的译码过程类似，只是aluop_o的值不同。

(3)sb指令

--要写的目的寄存器：加载指令sb需要将加载结果吸入目的寄存器，所以设置wreg_o为WriteEnable，同时可知，要写的目的寄存器地址是指令中的第16~20bit，所以设置wd_o为inst[20:16]。

--要读取的寄存器：计算加载目标地址需要使用地址为base的寄存器值，所以设置reg1_read_o为1，表示通过RegFile模块的读端口1读取寄存器的值，默认读取的寄存器地址reg1_addr_o是指令的第21~25bit，正是sb指令中的base。所以最终译码阶段的输出reg1_o就是地址为base的寄存器的值。要存储的值是通用寄存器的值，因此，设置reg2_read_o也为1表示通过RegFile模块的读端口2读取寄存器的值，默认读取的寄存器地址reg2_addr_o是指令的第16~20bit，正是sb指令中的rt。所以最终译码阶段的输出reg2_o就是地址为rt的寄存器的值。

--要执行的运算：设置alusel_o为EXE_RES_LOAD_STORE，表示运算类型是加载存储，设置aluop_o为EXE_SB_OP，表示运算子类型是字节加载sb.

sh、sw、swr、swl指令与sb指令的译码过程类似，只是aluop_o的值不同。

2.修改ID/EX模块

ID/EX模块需要增加部分接口，用于将ID模块新增加的输出信号inst_o传递到执行阶段的EX模块。

9.3.2修改执行阶段

1.修改EX模块

在执行阶段的EX模块会计算加载存储的目的地址，参考图9-19可知，EX模块会增加部分接口，如表9-3所示。

2.修改EX/MEM模块

参考图9-19可知，EX/MEM模块会增加部分接口，用于EX模块新增的输出传递到访存阶段

9.3.3修改访存阶段

访存阶段主要是修改MEM模块，参考图9-19可知，需要为其添加对数据存储器RAM的访问接口。

此处对mem_sel_o做进一步说明，分加载、存储两种操作分别说明。

(1)对于加载操作，MIPS32指令集架构中定义的加载指令可以加载字节、半字、字，但是数据总线的宽度是32位，占4个字节。如果执行加载字节指令lb、lbu，那么就要知道通过数据总线输入的4个字节中，哪个字节是要读取的数据：如果执行加载半字指令lh、lhu，那么就要知道哪个半字是要读取的数据，mem_sel_o的作用就是指出哪一部分是有效数据。mem_sel_o的宽度为4，分别对应数据总线的4个字节，比如：使用加载指令lb读取数据存储器地址0x1出的字节，那么可以设置mem_sel_o为4'b0100，意思就是，希望外部存储器在输出数据时，将地址0x1处的字节放在32位数据总线的次高字节，也就是第16~23bit的位置，当数据送到处理器时，处理器就取出其中第16~23bit对应的字节，作为数据存储器地址0x1处的值。

(2)对于存储操作，MIPS32指令集架构中定义的存储指令可以存储字节、半字、字，但数据总线的宽度是32位，占4个字节，如果执行字节存储指令sb、半字存储指令sh，那么外部数据存储器就要知道用过数据总线传递过来的4个字节中，哪个字节、哪个半字是要存储的数据，mem_sel_o作用就是指出哪一部分是要存储的有效数据。比如：使用存储指令sh向地址0x2处存储0x8281，那么可以设置mem_data_o为0x82818281、设置mem_sel_o为4'b0011,这样外部存储器就知道要存储的数据是0x82818281的最低两个字节，正是0x8281.

下面对其中几个典型指令的访存过程进行解释

(1)因为要访问数据存储器，所以设置mem_ce_o为ChipEnable

(2)因为是加载操作，所以设置mem_we_o为WriteDisable

(3)给出要访问的数据存储器地址mem_addr_o, 其值就是执行阶段计算出来的地址mem_data_i.

(4)依据mem_addr_i的最后两位，确定mem_sel_o的值，并据此从数据存储器的输入mem_data_i中获得要读取的字节，进行符号扩展。比如：如果mem_addr_i的最后两位是01，那么设置mem_sel_o为4'b0100，表示希望输出存储器给出的数据的第16~23bit就是要读取的字节，也就是mem_data_i[23:16],将其最高位进行符号扩展，得到最终结果wdata_o，作为要写入目标寄存器的数据。

2.lwl指令的访存过程

(1)因为要访问数据存储器，所以设置mem_ce_o为ChipEnable

(2)因为是加载操作，所以设置mem_we_o为WriteDisable

(3)给出要访问的数据存储器地址mem_addr_o, 其值就是执行阶段计算出来的地址mem_data_i.，但最后两位要设置为0，因为lwl指令要从RAM中读出一个字，所以需要将地址对齐，同时设置mem_sel_0为4'b1111。

(4)依据mem_addr_i的最后两位，将从数据存储器读取的数据mem_data_i与目的寄存器的原始值reg2_i进行组合，得到最终要写入目的寄存器的值wdata_o，

3.sb指令的访存过程

(1)因为要访问数据存储器，所以设置mem_ce_o为ChipEnable.

(2)因为是存储操作，所以设置mem_we_o为WriteEnable。

(3)给出要访问的数据存储器地址mem_addr_o，其值就是执行阶段计算出来的地址mem_addr_i。

(4)sb指令要写入的数据是寄存器的最低字节，将该字节复制到mem_data_o的其余部分，然后依据mem_data_i的最后两位，确定mem_sel_o的值。

4.swl指令的访存过程。

9.4修改最小SOPC

为了验证上一节添加的加载存储指令是否实现正确，需要修改在第四章中设计的最小SOPC，为其添加数据存储器RAM。

9.4.1添加数据存储器

9.6链接加载指令ll、条件存储指令sc说明

ll、sc指令是MIPS32指令MIPS32指令集架构中比较特殊的加载存储指令，用来实现信号量机制。在多线程系统中，需要RMW(Read-Mpdify-Write)操作序列保证对某个资源的独占性，RMW操作序列的含义是，读取内存某个地址的数据，读取饿得数据经过修改，然后再保存回内存原地址，这个过程不能有任何干扰，因此需要建立一个临界区域(Critical Region), 临界区域中完成的操作通常称为原子操作，原子操作不能被打扰。操作系统建立邻接区域的方式通常是信号量机制，如下。

wait(semaphore);

原子操作

signal(semaphore);

semaphore是一个信号量，为1表示信号量使用中，为0表示信号量空闲。进行原子操作前，使用wait函数查询semaphore的值，如果为1，则等待，否则，将其置为1，开始执行原子操作。操作结束后，signal函数将semaphore置为0，这样其他线程就可以执行原子操作了。

需要注意的是，wait函数的执行也是一个原子操作，是一种“先检测后设置”的操作(tesr-and -set operation),这种操作一般不希望被外部设备中断，也不希望被其他线程打断，很多处理器都有专门的指令用来实心"先检测后设置"操作。这也是一种信号量机制。

MIPS32架构采用特殊的方式实现信号量机制，对于原子操作，MIPS32架构并不保证它一定是原子性的，也就是允许检测和设置在没有原子性保证的情况下运行，但只在它确实是原子的运行了的时候才能让“设置”生效。MIPS32架构采用链接加载指令ll、条件存储指令sc来实现这种信号量机制。

ll指令同一般的加载指令一样，从内存中加载一个字，但是，有点不同，ll指令还会将处理器内部的一个链接状态位LLbit置为1，表明发生了一个链接加载操作，并将链接的地址保存到一个特殊寄存器LLAddr中。

ll指令执行完毕后，会进行一定的操作(如：修改加载得到的数据)，然后执行sc指令，这可以认为是一个RMW序列。有如下两种情况干肉这个RMW序列，受到干扰后，处理器会设置链接状态位LLbit为0

--在ll、sv指令之间产生异常，从而进入异常处理例程，或者发生线程切换，熬制RMW徐磊受到干扰。

--多处理器的系统中，另一个CPU改写了RMW序列要操作的内存空间。

对于OpenMIPS而言，只有第1种情况。

执行sc指令时，会对从ll指令开始的RMW序列进行检查，判断是否受到干扰，实际就是判断LLbit是否wie1，如果没有受到任何干扰，LLbit保持为1，那么操作是原子的，sc指令会对ll指令加载数据的地址进行写回操作，并设置一个通用寄存器的值为1，表示成功，反之不进行写回操作，并设置一个通用寄存器的值为0，表示失败。

9.7ll、sc指令实现思路

9.7.2数据流图的修改

9.7.3系统结构的修改

9.8修改OpenMIPS以实现ll、sc指令

9.8.2修改译码阶段的ID模块

9.8.3修改访存阶段

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