序

麻了，P3 就挂了，出师不利啊 qwq

CPU 设计草稿

已实现：add sub ori sw sh sb lw lh lb and or j jal jalr beq bne addi lui sll （不考虑溢出）

IFU

IFU 由三部分构成，分别是存储当前 PC 的值，计算下一个 PC 的值，用 PC 值从 IM 中提取指令。整体是一个 Moore 型有限状态机。

PC

PC 用一个 32 位寄存器存储。由于指令段地址从 0x00003000 开始，因此需要初始化为该值。

端口名	位宽	方向	注释
clk	1	I	时钟信号
reset	1	I	异步复位信号
NPC	[31:0]	I	下一个 PC 值
PC	[31:0]	O	当前 PC 值

NPC

NPC 用组合逻辑来计算下一个 PC 的值，回传给 PC。

对于一般的算数指令 addi，ori 等，PC = PC + 4。
对于 j，jal，PC 直接变为外部输入的 26 位立即数 instr_index。instr_index 尾部补两个 0（Splitter 实现）后位扩展至 32 位。
对于 bne，beq 等，一方面要接受外界输入的寄存器值，一方面要接受外界输入的 16 位 offset，offset 尾部补两个 0 实现后位扩展至 32 位，加上寄存器值赋给 PC。
对于 jr，jalr，PC 直接变为外部输入的寄存器值。

由于有四种可能的 NPC 求取方式，必须根据读到的指令来判断 NPC 使用上面哪一条来计算。因此引入一个 NPCSel[1:0] 来选择。另外，对于 beq 等指令，若条件判断不成功，NPC 仍然是 PC + 4，引入一个 zero 输入来判断。

端口名	位宽	方向	注释
PC	[31:0]	I	当前 PC 值
imm26	[25:0]	I	机器码低 26 位
GRF	[31:0]	I	寄存器值
imm16	[15:0]	I	机器码低 16 位
NPCSel	[1:0]	I	NPC 计算方法选择信号
zero	1	I	条件判断成功信号
PC+4	[31:0]	O	PC + 4 值
NPC	[31:0]	O	下一个 PC 值

IM

程序运行时为保证安全性，不可篡改指令数据，按要求用一个 4096*32 bits 的 ROM 来存储。至多可存储 4096（2^12）条，因此 ROM 的地址输入位宽为 12，即 Addr[11:0]。先给 PC 减去 0x00003000，又因为 ROM 两行的地址差为 1 而非 4，故再除以 4（逻辑右移 2 位实现），取低 12 位，从而建立了 PC 到 ROM 的映射关系。
IM 输出端为指令机器码。分为 Opcode，rs，rt，rd，shamt，Funct，同时提取低 26 位和低 16 位。

端口名	位宽	方向	注释
Addr	[31:0]	I	待取指令之地址
Instr	[31:0]	O	指令内容

Controller

Controller 接受 Opcode 和 Funct，判断收到的具体是什么指令，然后发出信号决定 NPC 如何计算，决定 GRF，ALU，DM 做的事。按照指令手册先比较 Opcode，再比较 Funct，用 Priority Encoder 把指令种类的独热编码换成对应的序号type[4:0]。对于未知的指令，序号统一为 0。根据对应的序号：

输出 NewPCSel[1:0] 给 NPC 决定 NPC 如何计算。
输出 GRFEnable 给 GRF 作为写使能信号。
输出 EXTType 给 EXT 决定输入的立即数是符号扩展或非符号扩展。
type[4:0] 可以作为选择信号给 ALU 选择相应的运算结果，
addi 等涉及立即数的指令，需要让 ALU 的 inputB 为位扩展后的立即数，而 add 等的 ALU 的 inputB 是寄存器值，因此输出 ALUIBSel 供 inputB 选择输入是立即数或寄存器值。
addi 等涉及立即数的指令，最终结果存储在 rt 寄存器中，而 add 等存储在 rd 中，因此输出 GRF A3Sel 供 GRF 的 A3 端口（写入位置）选择 rt 或 rd。注意 jalr 的目的寄存器是 rd。
输出 DMEnable 给 DM 作为写使能信号。
lw 等指令需要从 DM 中提取数据到 GRF 中，而 add 等指令是 ALU 算出的结果回传给 GRF，因此输出 DMtoGRFSel 供 GRF 的 WD 选择输入是 ALU 结果还是 DM 数据。
jalr，jal 涉及将 PC + 4 保存到 GRF 中，因此输出 PC+4toGRFSel 选择 WD 是否是 PC + 4。注意，应当在 DMtoGRFSel 后选择。
jal 把 PC + 4 保存到 $ra（31 号寄存器）中，这是不需要输入的。因此输出 $raSel 选择 A3 是 31 号。注意，应当在 GRF A3Sel 后选择。

端口名	位宽	方向	注释
Opcode	[5:0]	I	机器码高 6 位
funct	[5:0]	I	机器码低 6 位
ALUSel	[4:0]	O	ALU 计算方法选择信号
NPCSel	[1:0]	O	NPC 计算方法选择信号
GRFEnable	1	O	GRF 写使能信号
EXTType	1	O	EXT 方法选择信号
ALUIBSel	1	O	ALU InputB 选择信号
GRF A3Sel	1	O	GRF A3 选择信号
DMEnable	1	O	DM 写使能信号
DMtoGRFSel	1	O	允许将 DM 数据写入 GRF
PC+4toGRFSel	1	O	允许将 PC+4 写入 GRF
$raSel	1	O	选择 31 号寄存器为写入目标
StoreType	[1:0]	O	向 DM 存入数据方法选择信号
LoadType	[1:0]	O	从 DM 读取数据方法选择信号

GRF

GRF 根据 A1[4:0] 从 32 个寄存器中读取数据到 RD1[31:0]，根据 A2[4:0] 从 32 个寄存器中读取数据到 RD2[31:0]，若 WE 为 1，则将 WD[31:0] 写入对应的寄存器。其中 0 号寄存器永远为 0。

端口名	位宽	方向	注释
clk	1	I	时钟信号
reset	1	I	异步复位信号
WriteEnable	1	I	GRF 写使能信号
A1	[4:0]	I	待读取的寄存器编号 1
A2	[4:0]	I	待读取的寄存器编号 2
A3	[4:0]	I	待写入的寄存器编号
WriteData	[31:0]	I	待写入的内容
ReadData1	[31:0]	O	读取的寄存器内容 1
ReadData2	[31:0]	O	读取的寄存器内容 2

ALU

根据 Controller 传来的 type[4:0] 决定如何对 inputA 和 inputB 进行运算。

A + B （add 等）
A - B （sub 等）
A and B（and 等）
A or B（or 等）
A xor B（xor 等）
B 左移 16 位（lui）
if (A == B) （beq 等）
B 左移 sll 指定位数（来自 shamt）

if (A == B) 作为上述的 zero 传给 NewPC。

端口名	位宽	方向	注释
InputA	[31:0]	I	输入 A
InputB	[31:0]	I	输入 B
ALUSel	[4:0]	I	ALU 计算方法选择信号
sll	[4:0]	I	SLL 命令移动位数
Output	[31:0]	O	计算结果
zero	1	O	条件判断成功信号

EXT

给 imm16 符号扩展和无符号扩展至 imm32。用 Controller 传来的 EXTType 判断如何扩展。

端口名	位宽	方向	注释
imm16	[15:0]	I	16 位立即数
EXTType	1	I	位扩展方法选择信号
imm32	[31:0]	O	32 位立即数

DM

DM 需要频繁进行读写操作，故用 3072*32 bits 的 RAM 存储。仍用 Addr[11:0] 覆盖所有范围。

端口名	位宽	方向	注释
clk	1	I	时钟信号
reset	1	I	异步复位信号
WriteEnable	1	I	DM 写使能信号
Addr	[31:0]	I	地址
WriteData	[31:0]	I	待写入数据
Data	[31:0]	O	读取的数据

思考题

状态存储：PC，GRF。状态转移：NPC，ALU。
合理。IM 中保存的是设定好的指令，其内容和顺序都是固定好的，如果在运行过程中遭到篡改则会导致程序运行失败，为安全起见使用 ROM。DM 中数据需要频繁读写，如果用寄存器，管理过于麻烦，且寄存器无法存储大量数据，用 RAM 最合适。GRF 同样需要频繁读写，但数据量不大，可以用寄存器。
1. StoreType：用以实现 sb sh。首先用 ALU 算出的地址从 DM 中取出整个字，接受来自 GRF 的待存储数据，接受地址值并按照 sb 和 sh 的要求取出 byte。给原有数据按照 sb 和 sh 的要求拆分成多种，把待存储数据与这些拆分的所有可能性一一融合成新数据。从 Controller 引一个 2 位的选择信号选出最终的结果（默认为不对 DM 原数据做任何操作），传给 DM 重新存储。
2. LoadType：用以实现 lb lh。首先从 DM 中取出整个字，接受地址值并按照 lb 和 lh 的要求取出 byte。给原有数据按照 lb 和 lh 的要求拆分成多种，用不同的 byte 选出不同的部分，符号扩展至 32 位。从 Controller 引一个 2 位的选择信号选出最终的结果（默认为不对 DM 原数据做任何操作），传给 GRF 存储。
nop 不激活任何信号，使得 GRF 和 DM 没有改变，ALU 不计算，不会改变状态，故不用考虑。
1. 没有测到 32 位边界处的数在寄存器中的表现。
2. 没有测 16 位边界处的立即数在立即数相关指令中的表现。
3. 没有测对 0 号寄存器读写的表现。

测试

.text
main:
    # ------------------------------------------------
    # 常量构造测试
    # ------------------------------------------------
    lui   $t0, 0x1234          # $t0 = 0x12340000
    ori   $t0, $t0, 0x5678     # $t0 = 0x12345678
    addi  $t1, $zero, -1       # $t1 = 0xFFFFFFFF
    addi  $t2, $zero, 1        # $t2 = 0x00000001
    addi  $t3, $t2, -2         # $t3 = 0xFFFFFFFF (-1)
    lui   $t4, 0x7FFF          # $t4 = 0x7FFF0000
    ori   $t4, $t4, 0xFFFF     # $t4 = 0x7FFFFFFF
    lui   $t5, 0x8000          # $t5 = 0x80000000

    # ------------------------------------------------
    # 算术逻辑运算测试
    # ------------------------------------------------
    add   $s0, $t0, $t2        # = 0x12345679
    sub   $s1, $t0, $t2        # = 0x12345677
    and   $s2, $t0, $t1        # = 自身
    or    $s3, $t0, $t3        # = 全1
    addi  $s4, $t2, -1         # = 0

    # ------------------------------------------------
    # sll 测试
    # ------------------------------------------------
    addi  $s5, $zero, 1
    sll   $s6, $s5, 0          # 不移位 => 1
    sll   $s7, $s5, 31         # 移31位 => 0x80000000

    # ------------------------------------------------
    # sw / lw 测试（以 $zero 为基址）
    # 内存布局：
    #   0($zero)  存 $t0
    #   4($zero)  存 $t1
    #   8($zero)  存 $t2
    #   12($zero) 存 $t3
    # ------------------------------------------------
    sw    $t0, 0($zero)
    sw    $t1, 4($zero)
    sw    $t2, 8($zero)
    sw    $t3, 12($zero)

    lw    $a0, 0($zero)        # = $t0
    lw    $a1, 4($zero)        # = $t1
    lw    $a2, 8($zero)        # = $t2
    lw    $a3, 12($zero)       # = $t3

    add   $v0, $a0, $a1        # 测试加载后运算
    sub   $v1, $a0, $a1

    # ------------------------------------------------
    # beq / bne 测试
    # ------------------------------------------------
    addi  $s0, $zero, 0
    beq   $s4, $zero, label_beq_true   # s4 == 0，应跳转
    addi  $s0, $s0, 1                  # 不执行
    j     label_beq_end

label_beq_true:
    addi  $s0, $s0, 10

label_beq_end:
    bne   $t1, $t2, label_bne_true     # 不相等，应跳转
    addi  $s0, $s0, 1                  # 不执行
    j     label_bne_end

label_bne_true:
    addi  $s0, $s0, 5

label_bne_end:

    # ------------------------------------------------
    # j / jal / jalr / jr 测试
    # ------------------------------------------------
    jal   func1
    j     after_func1

func1:
    addi  $a0, $zero, 111
    jalr  $t6, $ra       # 保存 $ra -> $t6
    jr    $t6             # 跳回

after_func1:
    addi  $a1, $zero, 222

    # ------------------------------------------------
    # 简单循环测试 (存取 + 条件跳转)
    # ------------------------------------------------
    addi  $s1, $zero, 0         # i = 0
    addi  $s2, $zero, 5         # 循环 5 次
    addi  $s3, $zero, 0         # 累加和 = 0

loop_start:
    sw    $s1, 100($zero)       # 用固定地址存 i
    lw    $t7, 100($zero)
    add   $s3, $s3, $t7         # 累加
    addi  $s1, $s1, 1
    bne   $s1, $s2, loop_start

    # ------------------------------------------------
    # 程序结束
    # ------------------------------------------------

SamuFlore's Dimension

[CO P3]Logisim 设计单周期 CPU

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PC

NPC

IM

Controller

GRF

ALU

EXT

DM

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