BUAA-CO-p5-课下

注意：本CPU采用分布式译码

命名规范

首先确定元件、线的命名方式

• 流水级名称采用教程的简称，以此为：F D E M W
• 元件命名，采用 流水级简称_元件名命名；实例化时采用 小写元件名
• 流水线寄存器，采用 两端流水级简称_REG命名；实例化时采用 _小写两端简称_reg
• 每级CTRL采用 流水级简称_CTRL（采用分布式译码）
• 每级控制信号采用 流水级简称_信号名

结构

F级

input: D_NPC（我的设计将NPC的选择放在了D级）

output: F_PC, F_Instr

本篇中的 input与 output均代表某一流水级的输入输出内容，其作用仅为方便设计

F_IFU

信号名	I/O	功能
clk	I	时钟信号
reset	I	同步复位
PCEn	I	PC使能
NPC[31:0]	I	选好了的NPC
PC[31:0]	O	当前PC
Instr[31:0]	O	指令

D级

元件：GRF, EXT, CMP, NPC

input: F_PC, F_Instr

output: D_rs_data, D_rt_data; D_imm32; D_NPC; D_PC, D_Instr;

FD_REG

信号名	I/O	功能
clk	I	时钟信号
reset	I	同步复位
FD_REG_En	I	写使能（用于冻结）
F_PC[31:0]	I	F级输入PC
F_Instr[31:0]	I	F级输入Instr
D_PC[31:0]	O	D级使用的PC
D_Instr[31:0]	O	D级使用的Instr

D_GRF

• 参考学长的博客，删除RegWr信号，改为“若不写入，则写入地址为0”
• 删除P4中GRFWrite模块，直接在顶层模块中进行多路选择

其他接口与P4无区别，这里不列表格了

D_EXT

信号名	I/O	功能
EXTOp	I	接收来自D_CTRL的控制信号
Imm16[15:0]	I	16位立即数
Imm32[31:0]	O	32位扩展后的立即数

D_CMP

去除P4 ALU中的eq_zero端口，改为D级中的此模块

信号名	I/O	功能
CMP_rs[31:0]	I	转发后的$rs
CMP_rt[31:0]	I	转发后的$rt
CMPOp[1:0]	I	比较方式的选择信号，可拓展
Branch	O	是否跳转

D_NPC

信号名	I/O	功能
NPCOp[2:0]	I	NPC控制信号
D_PC[31:0]	I	D级PC，用于branch型跳转
F_PC[31:0]	I	F级PC，用于default
NPC_rs[31:0]	I	转发后的$rs, 用于jr型
Branch	I	是否进行branch
NPC[31:0]	O	处理后的NPC

E级

元件：ALU

input: D_rs_data, D_rt_data, D_imm32; D_PC, D_Instr

output: E_ALU_result, E_rt_data, E_PC, E_Instr

DE_REG

信号名	I/O	功能
clk	I	时钟信号
reset	I	同步复位
D_rs_data[31:0]	I	D级$rs
D_rt_data[31:0]	I	D级$rt
D_imm32[31:0]	I	扩展后32位立即数
D_PC[31:0]	I	D级PC
D_Instr[31:0]	I	D级指令
E_rs_data[31:0]	O	E级使用的$rs
E_rt_data[31:0]	O	E级使用的$rt
E_imm32[31:0]	O	E级使用的32位立即数
E_PC[31:0]	O	E级PC
E_Instr[31:0]	O	E级指令

E_ALU

信号名	I/O	功能
A[31:0]	I	A端口
B[31:0]	I	B端口
ALUOp[2:0]	I	计算模式选择
ALUresult[31:0]	O	计算结果

M级

元件：DM

input: E_ALUresult, E_rt_data; E_PC, E_Instr

output: M_ALUresult, M_RD; M_PC, M_Instr

EM_REG

信号名	I/O	功能
clk	I	时钟信号
reset	I	同步复位
E_ALUresult[31:0]	I	E级ALU计算结果
E_rt_data[31:0]	I	E级接收转发后的$rt
E_PC[31:0]	I	E级PC
E_Instr[31:0]	I	E级指令
M_ALUresult[31:0]	O	M级使用的ALU计算结果
M_rt_data[31:0]	O	M级使用的$rt
M_PC[31:0]	O	M级PC
M_Instr[31:0]	O	M级指令

M_DM

信号名	I/O	功能
clk	I	时钟信号
reset	I	同步复位
MemWr	I	写使能
Addr[31:0]	I	写入地址
Data[31:0]	I	写入数据
RD[31:0]	O	读出数据

后续可增加 DMOp接口，对更多种类的load指令进行扩展

W级

input: M_ALUresult, M_RD; M_PC, M_Instr

WM_REG

信号名	I/O	功能
clk	I	时钟信号
reset	I	同步复位
M_RD[31:0]	I	M级DM读出数据
M_ALUresult[31:0]	I	M级传递的ALU计算结果
M_PC[31:0]	I	M级PC
M_Instr[31:0]	I	M级指令
W_RD[31:0]	O	W级使用的DM读出
W_ALUresult[31:0]	O	W级使用的ALU计算结果
W_PC[31:0]	O	W级PC
W_Instr[31:0]	O	W级指令

冒险的解决

AT法

：经过多少个时钟周期就必须要使用相应的数据

注意，一条指令可以有多条。如 和

：某个流水级中的某条指令，还需要多少个周期才能将结果写入流水级寄存器

对于不产生新数据的指令，我们认为 始终为0

数据冒险

旁路转发

X_AN == Y_AM && X_AN != 5'b0 && M_T_NEW == 2'b00 && RegWrite_Y == 1

读寄存器编号和写寄存器编号相同 && 寄存器编号不为0 && 转发流水级的 && GRF写使能为1

若GRF写使能为0，YA置0即可

为解决同一时钟周期写和读同一寄存器的问题，将GRF改为下跳沿写入

下跳沿写入是刘旭东老师在课上给的方法，但会发现该方法在P7失效，故在此推荐内部转发

回传：根据GRFWDOp选择每一级的回传数据

阻塞一级

1. 冻结 FD_REG，即将 FD_REG_En置0
2. 清除 DE_REG，全部置0（同步复位即可）
3. 禁止PC继续计数，即将 PCEn置0

阻塞第二级：

1. 冻结 FD_REG
2. 清除 DE_REG
3. PCEn置0
   （让E级的nop往下传，给E级一个新的nop）