北航2021届计组 -- 单周期CPU设计
单周期CPU设计
写在前面的话
首先需要强调的是，这是一篇考后反思，所以相比于之前的HDLBit的以力证道，或者MIPS的技之巅峰（不要笑，我的技巧最高水平就那样了）。这篇文章要温吞很多。这篇文章讲的东西是一个单周期CPU的设计思路。正如大家所见，我不聪明，所以其实我写这种需要大量智商的东西是很羞愧的，所以大家就看个热闹就好了。
其实最精华的部分是我的代码，但是因为规定，是没有办法放出来的（其实我挺喜欢这个规定的，这样就好歹给我的智商留了一块遮羞布，不用把代码拿出来让大家检验）。其次精华的是第二、三章，但是实话实话，我自己看着都想睡觉。所以大家就看着个乐呵吧。第一章说的虽然都是我的总结，但是跟比如说岳哥哥，或者是松泽哥哥交流，或者看吴佬代码，或者看好多人完成P4的速度。好像这些东西大家都知道。这也不奇怪，因为比较笨的原因，确实很多比较显而易见的道理，我需要一些时间总结。所以大家就笑笑就好了。
一、设计思路总论
1.1 P3教训
我参加的是第一次P3上机，在考场上做出来了第一道题和第三道题，因为这场考试做的十分艰难（没挂真的是万幸），所以有必要好好反思一下问题都出在了哪里。
我卡的最久的是第一题，第一题是bezal，就是说判断一个寄存器内的值是否为0，如果是，就执行跳转操作和链接操作，如果不是，就相当于一个nop指令。在这道题中，我条件判断只管住了链接操作，也就是说，跳转操作无论条件判断如何，都会执行，所以就错了（应该是倒数第二个点）。所以我这道题做了一个半小时。
然后在第二题，slo，这道题说的是左移shamt位，然后左移的部分补1。这道题我跳过了，是因为我的ALU只有SrcA和SrcB两个输入端口，没有设置shamt的输入端口，所以如果想进行运算，就需要拓展端口，但是在考场上拓展端口，对我的心理压力过大。我最后是以在ALU外部搭建计算通路的方法实现的。
最后在第三题，lwor，就是用or的方式计算地址，然后lw，这没有什么难的，难点在地址的计算，这个计算也是涉及了三个运算数，应该是一个寄存器内的32位数，与一个拓展后的立即数进行或运算，然后再加上一个5位的数乘4。所以还是需要三输入端口ALU，显然我是没有的，所以我又搭建了一条旁路。最后侥幸过关（第二题也是利用了这条通路，但是最后太慌张了，点错按钮了，不过归根结底是考前准备步骤和设计理念不成熟）。
1.2 到底要加几条指令？
我在做课下P3的时候，跟其他的p不同，就是我很焦虑。因为第一次弄这个，然后身边的同学就搭了好多条指令，有的人的CPU都能跑全排列了（别看别人，就是你杰哥）。我倒是不求说搭的指令最多，但是别人都弄我不弄，就很紧张，所以也调了几条搭建了几下。但是正如上面的分析，因为没有搭到移位指令，所以我的ALU是残缺的，只搭建了一个分支指令beq，所以导致我的beq在课下的时候就是一个补丁一样的存在，这也造成了对于第一题我的疏忽。
我认为，加指令的目的是有两个：完善模块端口和功能和优化控制。就比如sll，不加它，ALU就只能计算两个数，所以不加不行。又比如beq，如果只有一个，控制信号可以长得很随意就实现了，非得是加一个bgez，才能达到独立CMP模块的目的和控制信号统一的目的。所以到底要加几条指令？我这里认为加这么几条指令就够了，需要强调指令本身不重要，重要的是通过加指令，能给CPU本身带来怎样的优化。如果只关注指令本身的实现，就会导致很多补丁的产生，反而对CPU整体的设计有害。我觉得好的加指令操作是可以是CPU更加简洁优雅，而不是更加冗杂。
我认为本着能懒就懒的原则，如果想生成一个比较功能强大而且优雅的CPU，需要这样几条指令，我会解释加他们的目的。目的比实现更重要。
| 指令 | 目的 |
|---|---|
| subu | ALU的两寄存器运算 |
| sll | ALU的两寄存器和5位数运算 |
| ori | EXT功能和ALU与EXT联系 |
| lw | 从DM加载到GRF |
| sw | 从GRF存储到DM |
| lui | 将寄存器加载到GRF，可以衍生GRF的一个功能控制信号 |
| slt | 将选定寄存器置1，可以衍生GRF的另一个控制信号 |
| jr | 将特定寄存器置PC + 4，可以衍生GRF的另一个控制信号，和补全数据通路 |
| sh | 增加DM中的输入时，对DMIn数据进行预处理电路 |
| lb | 增加DM输出时时，对数据的处理电路 |
| beq | 增加NPC的功能 |
| bgtz | 产生CMP模块，优化控制信号 |
1.3 指令的分解
这一章来自吴哥哥的思想，就是对指令进行分类，经过长达四天的实践，我觉得还可以优化为对指令进行分解，因为指令是功能的单位，但是不是功能的最小单位，比如说lw，就可以分解为计算地址和读取DM数据存到GRF这两个部分，而像考试中的bezal就是比较，分支，**加载（一类特殊的存储）**的三个部分。所以到底CPU有几个功能呢，这个我其实也是通过实践归纳总结的，就是在第三章的内容，我个人将其分为六个部分：load、store、caculate、compare、branch、extend。我觉得我遇见所有指令都可以表示为这六个功能的“线性组合”。
| 功能 | 线性 |
|---|---|
| load | GRF[num] <= |
| store | Mem[Address] <= |
| caculate | operation1 operator1 operation2 operator2 operation3 |
| branch | PC <= |
| compare | if(condition) |
| extend | 32-digit <= extend(not-32-digit) |
1.4 什么样的模块是好模块？
我认为一个好的模块，就是用来实现一个功能的。为什么这么说呢？因为其实一个模块在一个周期内只能干一件事，比如尽管ALU既能算加法，又能算减法，但是一个周期只能干加法或者减法。举个例子，在我最开始的设计中，我是没有EXT模块的，我的ALU有一个16位的端口用来处理立即数，但是为什么不好呢，因为我的ALU的控制变复杂了，我的ALU有一个运算叫做零扩展到32位再加法，不难想象，还会有一个运算叫做符号扩展到32位再做加法、符号扩展到32位再做加法，这样没完没了。这种再举一下CMP模块（用来比较两个数，或者一个数和0）的例子，如果有一个跳转指令，如果不独立CMP模块，就会让calculate和compare不能同时出现在一个指令中。正是因为功能之间是线性无关的，所以也就是说，至少一个模块分别实现一个功能。而简洁性的要求，所以最好用越少的模块实现一个功能。结合这两点，最好一个模块实现一个功能。所以有6个功能模块：IFU（我拆成了NPC和IFU，只是疏忽，可以合并）（branch）、GRF（load）、EXT（extend）、ALU（caculate）、CMP（compare）、DM（store）。
此外，还有一个事情，我觉得还是一个很漂亮的设计，就是统一模块的接口的规格。以教材为例，NPC最开始只有一个16位的branch类指令的输入，但是当我们加入j指令的时候，就需要再多增加一个26位的输入接口。如果j指令是在考场上加的，可以想到，我需要在NPC上加个端口，需要把26位数据接进去，我还要搭建一条专门的计算通路来扩展这个数，然后再搭一个专门的计算通路来处理这个数，然后还要想办法加一个控制信号。太麻烦了，而且极难检验，在考场上，只要不是考试型的天才，都容易犯错误。而且这种困难是无法预料的，无论加多少条指令，只要出现新的指令截断，就在不可预测的位置会造成新的端口，然后就会有一连串的反映。所以最好的办法就是统一端口，这样新的数据只要将其拓展为32位，就可以利用原来的数据通路了，唯一需要修改的就是EXT模块和控制信号。
1.5 什么样的控制是好控制？
我认为好的控制是控制信号是简洁的，这里可能是我个人的偏好，我不太喜欢教材中的控制信号，因为不能望文生义，而且过于繁杂，看名字都不知道是控制哪一个模块的的控制信号，也不知道一个模块有几个控制信号。
我认为好的控制信号对于每个模块只有三种，决定是否发挥功能的使能信号，决定数据来源的选择信号，决定具体功能的功能信号。使能信号每个模块最多只有一个（在MIPS里只用GRF和DM有），功能信号每个模块只能有一个，数据来源信号每个输入端口最多有一个。只要对控制信号分好类，就可以很清楚的控制CPU。
本质上，对控制信号的思考就是对指令过程的思考。对于一个指令，我们要思考的只有三个问题：哪个模块干活？（使能）干活的模块处理的数据是什么？（选择）要怎样处理数据（功能）只要回答清楚了这三个指令，就可以快速的在考场上搭建一条指令。
在我的CPU中，每次加一条指令，其实就是从这段代码中选择一部分复制粘贴，稍加修改，我觉得是比较好的办法。
//Load
RegWrite = 1;
RegAdd3Sel = RegAdd3Sel_rt/rd;
RegInSel = RegInSel_ALUOut/DMOut/PC/EXTOut;
GRFOP = GRFOP_FULL/LUI/LINK/SLT;
DMOP = DMOP_W/H/B;//Store
MemWrite = 1;
DMOP = DMOP_W/H/B;//Caculate
SrcBSel = SrcBSel_EXTOut/RegOut2;
ALUOP = ALUOP_ADD/SUB/OR;//Compare
CMPOP = CMPOP_;//Branch
BranchSel = BranchSel_RegOut1/EXTOut;
NPCOP = NPCOP_NORMAL/BRANCH/J/JR; //Extend
EXTOP = EXTOP_ZE16/ZE26/SE16;
在后面会有详细的设计介绍。
二、模块介绍
2.1 NPC
NPC没有按照我之前都构想与PC合成一个整体（一个大的IFU），这是因为link操作需要将下一条的地址写入寄存器，如果写成一个大的IFU，那么就会有两个输出端口了（一个输出PC，一个输出nextPC），这与我的设计思想不符。此外，我也没有采用更多更加不整齐的输入端口，也是因为与我的设计思想不符，我将这部分功能分摊给了NPCOP和EXT。
NPC端口：
| 端口 | 方向 | 宽度 | 解释 |
|---|---|---|---|
| PC | IN | 32 | 当前指令地址 |
| branch | IN | 32 | 所有分支或者跳转指令的待处理数据 |
| nextPC | OUT | 32 | 下一条指令地址 |
| NPCOP | IN | 4 | NPCOP控制了NPC以什么样的方式确定下一条指令的地址 |
NPCOP：
| 信号 | 编码 | 解释 |
|---|---|---|
| NORMAL | 0 | PC + 4 |
| BRANCH | 1 | PC + 4 + branch << 2 |
| J | 2 | PC[31:28], branch[25:0], 00 |
| JR | 3 | branch |
2.2 IFU
里面包含PC和IM，因为大部分的控制功能都被NPC承担了，所以这个IFU的就没有那么多功能了，当然他也两个输入端口了，emmm，我当时设计的时候还以为是一个，所以就没拆成IM和PC，而且PC自己一个寄存器一个模块也太傻了。确实这里不够优雅。因为本质是时序电路，所以还需要接入时钟和复位信号，GRF和DM也相同
IFU端口
| 端口 | 方向 | 宽度 | 解释 |
|---|---|---|---|
| clk | IN | 1 | 时钟 |
| reset | IN | 1 | 同步复位信号 |
| nextPC | IN | 32 | 下一条指令地址 |
| PC | OUT | 32 | 当前指令地址 |
| instr | OUT | 32 | 当前指令 |
IFU没有控制信号
2.3 GRF
GRF就是很普通的设计，这里我没有用原来的端口命名，是因为A1，A2这样的名字在考试中还需要与rs，rt这样的名字对应起来，太间接了，所以直接用的是指令集中的命名，这样避免名称转换时的错误。
GRF端口
| 端口 | 方向 | 宽度 | 解释 |
|---|---|---|---|
| PC | in | 32 | 评测机需要 |
| clk | IN | 1 | 时钟信号 |
| reset | IN | 1 | 同步复位 |
| RegAdd1 | IN | 5 | 读出寄存器1的地址 |
| RegAdd2 | IN | 5 | 读出寄存器2的地址 |
| RegAdd3 | IN | 5 | 写入寄存器的地址 |
| RegIn | IN | 32 | 写入寄存器的成熟或待处理数据 |
| RegOut1 | OUT | 32 | 寄存器r1中的内容 |
| RegOut2 | OUT | 32 | 寄存器r2中的内容 |
| RegWrite | IN | 1 | 控制是否写入 |
| GRFOP | IN | 4 | 控制数待处理数据的处理方式 |
GRF本来应该没有控制信号，这是因为像lh，lb这样数据的预处理需要在DM中进行（因为需要地址信息，我不想再接一个DMAdd到GRF上），所以本来从DM中写回数据应该是成熟的，但是因为有一个叫做lui的指令，它是加载立即数，也就是不需要通过DM获得数据，所以还是需要GRF对数据进行处理，所以为了避免上机的时候有这类指令，还是加一个GRFOP来以防万一吧。
好像set类指令和link也是需要用到这个功能的，还不错诶，没有白瞎。
GRFOP：
| 信号 | 编码 | 解释 |
|---|---|---|
| FULL | 0 | 不处理 |
| LUI | 1 | 左移16位 |
| LINK | 2 | PC + 4 |
| SLT | 3 | 置1 |
2.4 EXT
EXT的功能其实不只是扩展数据，我更愿意将其理解为他是一个适配器，即接口转换装置，通过这个装置，我可以将原来不规整的16位或者26的数据转换成我想要的数据宽度，也就是32位。EXT是我的设计思想的一个代表体现。
EXT端口：
| 端口 | 方向 | 宽度 | 解释 |
|---|---|---|---|
| EXTIn | IN | 26 | 其实包括了Imm16和Imm26两种 |
| EXTOut | OUT | 32 | 获得规整的32位数 |
| EXTOP | IN | 4 | 调整扩展的方式 |
EXTOP：
| 信号 | 编码 | 解释 |
|---|---|---|
| ZE16 | 0 | 零拓展16位 |
| SE16 | 1 | 符号拓展16位 |
| ZE26 | 2 | 零拓展26位 |
2.5 ALU
我的一个重要的设计思想就是分化ALU的功能，所以可以看到ALU原来的比较器功能被单独形成了一个CMP模块，lui其实也可以用ALU很简洁的实现，但是我还是把它放到了GRF中实现，是为了对指令的多个功能分别思考，不让其互相妨碍。所以我的ALU只有计算和求地址两个功能。需要注意的是，ALU的是四输入端，有一个5位的SHF，这主要是为了适应sll这种指令，可以看到，在P3的lwor原创指令中，也是需要把r2接到SHF端口，才能在不在模块外外接组合电路的前提下（我甚至没过ALU），达到实现指令的目的。
ALU端口：
| 端口 | 方向 | 宽度 | 解释 |
|---|---|---|---|
| SrcA | IN | 32 | 第一个运算数 |
| SrcB | IN | 32 | 第二个运算数 |
| SHF | IN | 5 | 补充运算数 |
| ALUOut | OUT | 32 | 运算结果 |
| ALUOP | IN | 4 | 控制运算的种类 |
ALUOP：
| 信号 | 编码 | 解释 |
|---|---|---|
| ADD | 0 | 加法 |
| SUB | 1 | 减法 |
| OR | 2 | 或 |
2.6 CMP
这是我单独组成的一个模块（受到了吴哥哥的启发），但是与吴哥哥不同的是，吴哥哥好像只写了beq指令（他还写了blez，但是我没看懂咋实现的，我的错），所以他的CMP的功能还是不够强大（但是在只写了一个指令的情况下，还能把它单独成块，这种意识，我愿称之为神）。所以我的CMP功能更多一些。而且全都是输出到CU模块，因为这是我的集中控制的设计思想。这个也是一个单输出端口，用到了CMPOP来减少端口的数量至一个。
CMP端口：
| 端口 | 方向 | 宽度 | 解释 |
|---|---|---|---|
| num1 | IN | 32 | 第一个比较数 |
| num2 | IN | 32 | 第二个比较数，当与零比较的时候，不会被用到 |
| CMPOut | OUT | 1 | 一个布尔值，来表示比较结果是否符合CMPOP要求 |
| CMPOP | IN | 4 | 控制比较的种类 |
其实CMPOP最多有12（大于，小于，等于，不等，大于等于，小于等于一共6个，与0比较翻一倍）个，还是都写了为好，省的补代码了。
CMPOP：
| 信号 | 编码 | 解释 |
|---|---|---|
| EQ | 0 | 等于 |
| G（好像GT是保留字） | 1 | 大于 |
| LT | 2 | 小于 |
| NE | 3 | 不等 |
| GE | 4 | 大于等于 |
| LE | 5 | 小于等于 |
| EQZ | 6 | 等于零 |
| GTZ | 7 | 大于零 |
| LTZ | 8 | 小于零 |
| NEZ | 9 | 不等零 |
| GEZ | 10 | 大于等于零 |
| LEZ | 11 | 小于等于零 |
2.7 DM
DM的创新点就是在于解决了sb和lb这类指令的问题，吴佬的宏定义很漂亮，但是可能是在store的时候69 、 70两行有错误。
DM端口：
| 端口 | 方向 | 宽度 | 解释 |
|---|---|---|---|
| PC | IN | 32 | 用来评测 |
| clk | IN | 1 | 时钟信号 |
| reset | IN | 1 | 同步复位 |
| DMAdd | IN | 32 | DM读数据的地址 |
| DMIn | IN | 32 | DM输入的待处理数据 |
| DMOut | OUT | 32 | DM输出数据 |
| MemWrite | IN | 1 | 控制是否向DM中写入数据 |
| DMOP | IN | 4 | 控制处理的操作 |
sb和lb是可以共用一个信号的，同理，lh和sh也是可以共用一个信号的。
DMOP：
| 信号 | 编码 | 解释 |
|---|---|---|
| W | 0 | 不进行任何处理 |
| B | 1 | 加载一个字节 |
| H | 2 | 加载半个字 |
2.8 CU
CU其实也是个组合逻辑电路，所以没必要神话他的地位。CU的输出控制信号可以分为两类：决定其他模块功能的OP类信号和决定模块数据来源的Sel类信号。我的CU体现了集中控制的思想，所有的控制信号必须从CU中输出，这样做的目的是为了使模块化程度更深，而且更加好debug和增加指令（我增加指令想要达到的效果是只修改CU，而不改变数据通路）。
CU的输入信号：
| 端口 | 方向 | 宽度 | 解释 |
|---|---|---|---|
| opcode | IN | 6 | instr[31:26] |
| funcode | IN | 6 | instr[5:0] |
| CMPOut | IN | 1 | 用来产生正确的b类指令（其实一个b类指令对应两种控制信号） |
CU的OP信号和使能信号：
| 端口 | 方向 | 宽度 | 解释 |
|---|---|---|---|
| NPCOP | OUT | 4 | 控制NPC行为 |
| RegWrite | OUT | 1 | 控制是否向GRF写数据 |
| GRFOP | OUT | 4 | 控制GRF行为 |
| EXTOP | OUT | 4 | 控制EXT行为 |
| ALUOP | OUT | 4 | 控制ALU行为 |
| CMPOP | OUT | 4 | 控制CMP行为 |
| MemWrite | OUT | 1 | 控制是否向DM写数据 |
| DMOP | OUT | 4 | 控制DM行为 |
因为Sel信号我规定都为3位，所以我的mux都是sel为3位的8选1
CU的Sel信号：
| 选择信号 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| RegInSel | ALUOut | DMOut | PC | EXTOut | ||||
| RegAdd3Sel | rt | rd | ||||||
| SrcBSel | RegOut2 | EXTOut | ||||||
| BranchSel | RegOut1 | EXTOut |
三、指令功能分解
3.1 LoadFromDM
关于GRF和CU，有
| 指令 | RegWrite | RegAdd3Sel | RegInSel | GRFOP |
|---|---|---|---|---|
| standard | 1 | rt | DMOut | FULL |
| lw | 1 | rt | DMOut | FULL |
| lb | 1 | rt | DMOut | FULL |
| lh | 1 | rt | DMOut | FULL |
因为是从DM中加载，所以一定从DM中取数据。所以只需要考虑取出的数据以什么形式存储。
关于DM和CU
| 指令 | MemWrite | DMAdd（默认） | DMInSel | DMOP |
|---|---|---|---|---|
| standard | 0 | ALUOut | - | W/H/B |
| lw | 0 | ALUOut | - | W |
| lb | 0 | ALUOut | - | B |
| lh | 0 | ALUOut | - | H |
虽然不需要考虑往DM中存数据，但是依然要用DMOP来决定读出的数据的形式。
3.2 LoadNeedOP
加载到寄存器中的值不再是从DM中获得的，而且需要GRFOP的帮助，所以要么是立即数，要么是set类指令。
关于GRF和CU
| 指令 | RegWrite | RegAdd3Sel | RegInSel | GRFOP |
|---|---|---|---|---|
| standard | 1 | |||
| lui | 1 | rt | EXTOut | LUI |
| slt | 1 |
3.3 LoadFromALU
加载到寄存器的值是ALU的计算结果。
关于GRF和CU
| 指令 | RegWrite | RegAdd3Sel | RegInSel | GRFOP |
|---|---|---|---|---|
| standard | 1 | ALUOut | ||
| addu | 1 | rd | ALUOut | FULL |
| subu | 1 | rd | ALUOut | FULL |
| ori | 1 | rt | ALUOut | FULL |
| sll | 1 | ALUOut |
需要修改的是RegWrite、RegAdd3Sel、RegInSel，GRFOP。
3.4 LoadAsLink
加载到寄存器的值是下一条指令的地址，即link操作
关于GRF和CU
| 指令 | RegWrite | RegAdd3Sel | RegInSel | GRFOP |
|---|---|---|---|---|
| standard | 1 | - | PC | LINK |
| jal | 1 | - | PC | LINK |
3.3 Calculate1
指的是计算一个寄存器和立即数的类型，包括地址计算和立即数计算
关于ALU和CU
| 指令 | SrcA（默认） | SrcBSel | SHF（默认） | ALUOP |
|---|---|---|---|---|
| standard | RegOut1 | EXTOut | - | |
| lw | RegOut1 | EXTOut | - | ADD |
| lb | RegOut1 | EXTOut | - | ADD |
| lh | RegOut1 | EXTOut | - | ADD |
| sw | RegOut1 | EXTOut | - | ADD |
| sb | RegOut1 | EXTOut | - | ADD |
| sh | RegOut1 | EXTOut | - | ADD |
| ori | RegOut1 | EXTOut | - | OR |
只有SrcA比较稳定，其他的输入端口和计算方式都有可能变化（就像P3的lwor指令，SrcB好像是立即数，SHF也需要输入一个数，算是神奇利用了）。
3.4 Calculate2
指的是需要两个寄存器中内容的运算。因为没有了立即数，所以不再需要EXT模块
关于ALU和CU
| 指令 | SrcA（默认） | SrcBSel | SHF（默认） | ALUOP |
|---|---|---|---|---|
| standard | RegOut1 | RegOut2 | - | |
| addu | RegOut1 | RegOut2 | - | ADD |
| subu | RegOut1 | RegOut2 | - | SUB |
需要修改的控制信号是SrcBSel和ALUOP。
3.5 Calculate3
指的是不仅用到了两个寄存器中的内容（也可能是一个寄存器一个立即数，但是常见指令没有，这里就不改EXT模块了），还用到了SHF字段。
关于ALU和CU
| 指令 | SrcA（默认） | SrcBSel | SHF（默认） | ALUOP |
|---|---|---|---|---|
| standard | RegOut1 | SHF | ||
| sll |
3.6 Store
关于DM和CU
| 指令 | MemWrite | DMAdd（默认） | DMIn（默认） | DMOP |
|---|---|---|---|---|
| standard | 1 | ALUOut | RegOut2 | |
| sw | 1 | ALUOut | RegOut2 | W |
| sb | 1 | ALUOut | RegOut2 | B |
| sh | 1 | ALUOut | RegOut2 | H |
3.7 Compare
关于CMP和CU
| 指令 | num1（默认） | num2（默认） | CMPOP |
|---|---|---|---|
| standard | RegOut1 | RegOut2 | |
| beq | RegOut1 | RegOut2 | EQ |
| bgtz | RegOut1 | RegOut2 | |
| slt | RegOut1 | RegOut2 |
3.8 Branch
这里的Branch操作包括beq或者jr或者j产生的跳转，简而言之就是所有使nextPC不指向紧挨着当前PC + 4的操作。
关于NPC和CU
| 指令 | BranchSel | NPCOP |
|---|---|---|
| standard | ||
| beq | EXTOut | BRANCH/NORMAL |
| bgtz | ||
| jal | EXTOut | J |
| jr | RegOut1 | JR |
3.9 Extend
关于EXT和CU
| 指令 | EXTOP |
|---|---|
| standard | |
| lw | SE16 |
| lb | SE16 |
| lh | |
| sw | SE16 |
| sb | |
| sh | |
| ori | ZE16 |
| beq | SE16 |
| lui | ZE16 |
| jal | ZE26 |
四、代码风格
4.1 宏还是参数？
到底是用宏还是用参数parameter，我个人喜欢parameter，是因为如果用宏的话，各个模块可能有相似的信号，比如CU需要一个代表beq的宏，NPC判断的时候也需要一个代表beq的宏，为了区别这俩，可能就需要加前缀了（吴哥哥就是这么做的）。但是如果是像我这样记忆力比较差的，对于加了前缀的命名就很头痛，所以不如每个模块里进行parameter，这样更加简洁。但是需要注意的是，前缀还是没有办法避免的，尽管在功能模块里可以避免前缀（因为不会冲突），但是在CU里，每个信号都需要被定义，那么就是还是需要前缀的，所以其实两种方法都可以。用宏只用定义一遍，但是打字比较难，代码我觉得比较丑。用参数代码比较好看，但是需要定义两遍。
但是其实我还是觉得，我的更好一些，是因为如果用一个头文件对其进行宏定义，那么定义的宏相当于是全局可见了，而用模块内的参数定义，参数的可见范围仅限于模块内，所以封装性更好一些。
4.2 端口竖直排列，按名称连接
这个其实很多人都在用哈，就是因为连接的端口太多了，所以竖着会好看一些，但是只有少部分人用名称确定端口位置，因为毕竟是自己代码，写的时候都能记住每个位置应该输入哪个信号。但是因为我太笨了，所以我担心我考场上忘了位置，再两个文件之间回看，所以还是喜欢名称连接法，尤其是在MUX类有奇用。示例如下：
MUX8 BranchMux(
.out(branch),
.sel(BranchSel),
.in0(RegOut1),
.in1(EXTOut)
);
4.3 命名规范
这个我自己做的也不是太好，因为确实P3第一次搭CPU，所以抄了很多教材，教材怎么命名，我就怎么命名，然后课件上就有一些命名，然后课下有的时候也对端口命名提出了要求，然后我也不能像之前那样记住所有东西。最后反正搞来搞去，命名就一直很糟糕，哪怕这次重写P4，命名也没有统一。我认为一套好的命名规范，可以让我只要想到这个功能或者需求，就能想起所需要的信号或者端口的名字。这其实不止是命名本身的问题，其实还有设计的问题。就好比如果一家一脉单传，就很好区分他是第几代人，但是如果近亲结婚，就很难再论辈分。简洁的命名其实是跟简洁的设计相关的。
就我个人而言，我在这里提出了一套规范，适合我自己用，也在上面的设计中有所体现。
| 事物 | 命名 |
|---|---|
| 使能信号 | 对象 + “Write” |
| 功能信号 | 模块名 + “OP” |
| 选择信号 | 端口名 + “Sel” |
| 输出端口 | 模块名 + “Out” |
| 数据输入端口 | 模块名 + “In” |
| 地址输入端口 | 模块名 + “Add” + 编号 |
4.4 不用三目运算符
所谓的三目运算符就是这样：
assign npc = (Br == `BR_pc4) ? pc + 4 :(Br == `BR_j) ? {pc[31:28], imm26, 2'b0} :(Br == `BR_jr) ? RD2 :(Br == `BR_beq && jump) ? pc + 4 + {{14{imm26[15]}}, imm26[15:0], 2'b0} :pc + 4;
其实也没啥不好的，我不喜欢可能就是我个人习惯问题，我还是喜欢声明成reg变量后用**always @(*)**写，像这样
always @(*) begincase(NPCOP)NORMAL:nextPC = PC + 4;BRANCH:nextPC = PC + 4 + (branch << 2);J:nextPC = {PC[31:28], branch[25:0], 2'b00};JR:nextPC = branch;default:nextPC = 32'dx;endcase
end
感觉会好看一些。
4.5 代码技巧
4.5.1 DM中的宏
这个吴佬就是牛逼哈，没啥说的，好像SH和SB写错了，然后输出可能也是有问题。但是这个写法实在是太好看了。大家膜就好了。
`define word memory[waddr]
`define half `word[15 + 16 * addr[1] -:16]
`define byte `word[7 + 8 * addr[1:0] -:8]always @(posedge clk) beginif (reset) beginfor (i=0; i<1023; i=i+1) memory[i] <= 0;endelse if (DMWr) beginif (DMType == `DM_w) `word <= WD;else if (DMType == `DM_h) `half <= WD[15 + 16 * addr[1:1] -:16];//修改//else if (DMType == `DM_h) `half <= WD[15:0];else if (DMType == `DM_b) `byte <= WD[7 + 8 * addr[1:0] -:8];//修改//else if (DMType == `DM_b) `byte <= WD[7:0];$display("@%h: *%h <= %h", pc, addr, WD);end
end
4.5.2 参数重载
这个主要是万老师上课的时候，提到可以把不同数据位的MUX写在一个文件里，但是其实只要sel位相同，都可以用参数重载的方法实现复用，写法如下
module MUX8#(parameter WIDTH=32) //定义的是时候这样(output reg [WIDTH - 1:0] out, input [2:0] sel,input [WIDTH - 1:0] in0,input [WIDTH - 1:0] in1,input [WIDTH - 1:0] in2,input [WIDTH - 1:0] in3,input [WIDTH - 1:0] in4,input [WIDTH - 1:0] in5,input [WIDTH - 1:0] in6,input [WIDTH - 1:0] in7);always @(*) begincase(sel)0: out = in0;1: out = in1;2: out = in2;3: out = in3;4: out = in4;5: out = in5;6: out = in6;7: out = in7;endcaseendendmoduleMUX8 #(5) RegAdd3Mux(//这样使用.out(RegAdd3),.sel(RegAdd3Sel),.in0(rt),.in1(rd));
写在后面的话
因为P3考的非常惨烈，所以当时我出了考场，真的十分后怕，倒不是说我怕挂P啥的，做到今天，又有几个人没有挂过P，连于哥哥这样的人都挂过，我没挂只能说明老天不开眼。我怕的是我要是挂了，可能永远没有办法知道自己问题是啥。之前还好，不过是一个状态机，一段程序，还是有那么一丝丝可能通过课下反思知道自己错在哪里了。但是对于CPU而言，怎么知道自己有没有问题呢？不知道，很多时候CPU过于复杂没有形式证明来确保完全的正确性。只能通过测试样例来检验对错，但是明明课下好好的，上机就过不了，问题出现在哪里呢？哪怕投入再多的时间可能都发现不了，这是最恐怖的事情。就是这个错误，可能是一个不可能更改的错误。他永远藏在我的代码里，哪怕通过了，他可能还在，这是最恐怖的。
我也不知道为什么要写这篇文章，我为了这篇文章已经花很长时间。我不知道为什么。吴佬在朋友圈分享过一张截图：“我看腻了主角团互帮互助，克服难关的故事，请给我一些主角深受痛苦，而他的伙伴却无能为力，只能冷眼旁观的故事。”吴佬说，这种故事就发生在六系。我很幸运，没有深受痛苦。但是我很不幸，我只能旁观我的朋友深受痛苦。这就是我写这篇文章的激励模块。
鸣谢名单：
- roife
- 李松泽
- 曾凡一
对了，想要代码的话，等我过了P4（那可能好久了），可以私聊（助教哥哥饶我狗命）。因为尽管我已经尽力把设计想法说的清楚一些了。但是感觉确实只放设计图，很多意思就是没法表达清楚，我的表达力太差了。
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