自己动手写CPU之第四阶段（2）——验证第一条指令ori的实现效果

将陆续上传本人写的新书《自己动手写CPU》（尚未出版），今天是第12篇，我尽量每周四篇

书名又之前的《自己动手写处理器》改为《自己动手写CPU》

4.3 验证OpenMIPS实现效果

4.3.1指令存储器ROM的实现

本节将验证我们的OpenMIPS是否实现正确，包含：流水线是否正确、ori指令是否实现正确。在验证之前，需要首先实现指令存储器，以便OpenMIPS从中读取指令。

指令存储器模块是只读的，其接口如图4-7所示，还是采用左边是输入接口，右边是输出接口的方式绘制，这样便于理解。接口含义如表4-12所示。





指令存储器ROM模块在文件inst_rom.v中实现，代码如下，可以在本书附带光盘的Code\Chapter4\目录下找到源文件。

module inst_rom(

input wire			ce,
input wire[`InstAddrBus]	addr,
output reg[`InstBus]		inst

);
// 定义一个数组，大小是InstMemNum，元素宽度是InstBus
reg[`InstBus]  inst_mem[0:`InstMemNum-1];

// 使用文件inst_rom.data初始化指令存储器
initial $readmemh ( "inst_rom.data", inst_mem );

// 当复位信号无效时，依据输入的地址，给出指令存储器ROM中对应的元素
always @ (*) begin
if (ce == `ChipDisable) begin
inst <= `ZeroWord;
end else begin
inst <= inst_mem[addr[`InstMemNumLog2+1:2]];
end
end

endmodule

代码很好理解，有以下几点说明。

（1）在初始化指令存储器时，使用了initial过程语句。initial过程语句只执行一次，通常用于仿真模块中对激励向量的描述，或用于给变量赋初值，是面向模拟仿真的过程语句，通常不能被综合工具支持。所以如果要将本章实现的OpenMIPS处理器使用综合工具进行综合，那么需要修改这里初始化指令存储器的方法。

（2）在初始化指令存储器时，使用了系统函数$readmemh，表示从inst_rom.data文件中读取数据以初始化inst_mem，而inst_mem正是之前定义的数组。inst_rom.data是一个文本文件，里面存储的是指令，其每行存储一条32位宽度的指令（使用十六进制表示），系统函数$readmemh会将inst_rom.data中的数据依次填写到inst_mem数组中。

（3）OpenMIPS是按照字节寻址的，而此处定义的指令存储器的每个地址是一个32bit的字，所以要将OpenMIPS给出的指令地址除以4再使用，比如：要读取地址0xC处的指令，那么实际就是对应ROM的inst_mem[3]，如图4-8所示。



除以4也就是将指令地址右移2位，所以在读取的时候给出的地址是addr[`InstMemNumLog2+1:2]，其中InstMemNumLog2是指令存储器的实际地址宽度，比如：如果inst_mem有1024个元素，那么InstMemNum等于1024，InstMemNumLog2等于10，表示实际地址宽度为10。

4.3.2 最小SOPC的实现

为了验证，需要建立一个SOPC，其中仅包含OpenMIPS、指令存储器ROM，所以是一个最小SOPC。OpenMIPS从指令存储器中读取指令，指令进入OpenMIPS开始执行。最小SOPC的结构如图4-9所示。



最小SOPC对应的模块是openmips_min_sopc，位于文件openmips_min_sopc.v中，读者可以在本书附带光盘的Code\Chapter4\目录下找到该文件，主要内容如下。在其中例化了处理器OpenMIPS、指令存储器ROM，并将两者按照图4-9的方式连接。

module openmips_min_sopc(

input	wire		clk,
input  wire		rst

);

// 连接指令存储器
wire[`InstAddrBus] inst_addr;
wire[`InstBus]     inst;
wire               rom_ce;

// 例化处理器OpenMIPS
openmips openmips0(
.clk(clk),			.rst(rst),
.rom_addr_o(inst_addr),	.rom_data_i(inst),
.rom_ce(rom_ce)
);

// 例化指令存储器ROM
inst_rom inst_rom0(
.ce(rom_ce),
.addr(inst_addr),		.inst(inst)
);

endmodule

4.3.3 编写测试程序

我们需要写一段测试程序，并将其存储到指令存储器ROM，这样当上一节建立的最小SOPC开始运行的时候，就会从ROM中取出我们的程序，送入OpenMIPS处理器执行。由于目前的OpenMIPS只实现了一条ori指令，所以测试程序很简单，如下，对应本书附带光盘Code\Chapter4\TestAsm目录下的inst_rom.S文件。

ori $1,$0,0x1100        # $1 = $0 | 0x1100 = 0x1100
ori $2,$0,0x0020        # $2 = $0 | 0x0020 = 0x0020
ori $3,$0,0xff00        # $3 = $0 | 0xff00 = 0xff00
ori $4,$0,0xffff        # $4 = $0 | 0xffff = 0xffff

共有4条指令，都是ori指令。

第1条指令将0x1100进行零扩展后与寄存器$0进行逻辑“或”运算，结果保存在寄存器$1中。

第2条指令将0x0020进行零扩展后与寄存器$0进行逻辑“或”运算，结果保存在寄存器$2中。

第3条指令将0xff00进行零扩展后与寄存器$0进行逻辑“或”运算，结果保存在寄存器$3中。

第4条指令将0xffff进行零扩展后与寄存器$0进行逻辑“或”运算，结果保存在寄存器$4中。

指令的注释说明了指令的执行结果。接下来，按照正常的顺序应该是使用编译器编译我们的测试程序，但由于GCC编译器的安装、使用、Makefile文件的制作等内容还需要不少篇幅讲解，而想必各位读者和笔者一样，急切地想知道OpenMIPS是否实现正确，所以本节采用手工编译的方式编译测试程序，4.4节将专题介绍GCC编译器的使用。

手工编译只需按照指令内容填充进图4-1所示的ori指令格式中，即可得到对应的二进制字，比如：对于指令ori $1,$0,0x1100，对应的二进制字如图4-10所示。



转化为十六进制即0x34011100，其余3条指令按照同样的方式可以得到对应的二进制字，按照$readmemh函数的要求，一行放一条指令，得到测试程序对应的isnt_rom.data文件如下，可在本书附带光盘的Code\Chapter4\TestAsm目录下找到同名文件。

34011100
34020020
3403ff00
3404ffff

4.3.4 建立Test Bench文件

本小节将建立Test Bench文件，其中给出最小SOPC运行所需的时钟信号、复位信号。代码如下，对应本书附带光盘Code\Chapter4\目录下的openmips_min_sopc_tb.v文件。

// 时间单位是1ns，精度是1ps
`timescale 1ns/1ps

module openmips_min_sopc_tb();

reg     CLOCK_50;
reg     rst;

// 每隔10ns，CLOCK_50信号翻转一次，所以一个周期是20ns，对应50MHz
initial begin
CLOCK_50 = 1'b0;
forever #10 CLOCK_50 = ~CLOCK_50;
end

// 最初时刻，复位信号有效，在第195ns，复位信号无效，最小SOPC开始运行
// 运行1000ns后，暂停仿真
initial begin
rst = `RstEnable;
#195 rst= `RstDisable;
#1000 $stop;
end

// 例化最小SOPC
openmips_min_sopc openmips_min_sopc0(
.clk(CLOCK_50),
.rst(rst)
);

endmodule

4.3.5使用ModelSim检验OpenMIPS实现效果

万事俱备，只欠东风了，本节是验证前的最后一步——建立ModelSim工程，进行仿真。参考第2章的介绍，新建一个ModelSim工程，工程名可以为openmips_min_sopc，将上文创建的OpenMIPS所有源文件、Test Bench文件、指令存储器的源文件等（也就是本书附带光盘Code\Chapter4目录下所有.v文件）添加到工程中，然后编译。

注意：还需要将上一小节制作的inst_rom.data文件复制到工程目录下。

编译通过后，将workspace切换到Library选项卡，打开work这个library，选中openmips_min_sopc_tb，右键点击，选择Simulate，如图4-11所示。



在出现的波形显示界面中，添加要观察的信号，即可开始仿真。此处我们选择寄存器$1-$4作为观察对象，如图4-12所示，通过观察寄存器$1-$4的最终值，可知OpenMIPS正确执行了测试程序，也就是正确实现了ori指令。



添加更多要观察的信号，可以了解流水线执行情况，如图4-13所示。为了使流水线情况显示的更加直观，此处以第一条指令在流水线中的执行过程为例，并且图中去掉了其它指令执行时引起的信号变化。



（1）在复位结束后的第一个时钟周期上升沿，rom_ce_o变为ChipEnable，表示指令存储器使能，开始取指，进入取指阶段，从指令存储器中取出第一条指令0x34011100，赋给IF/ID模块的输入端口if_inst。下一个时钟周期，第一条指令进入译码阶段。

（2）观察译码阶段。

此时译码阶段的指令id_inst正是第一条指令0x34011100
指令地址id_pc是0x00000000
在ID模块对指令进行译码，得到指令运算类型alusel_o是3'b001，查询defines.h文件中的宏定义可知，对应宏EXE_RES_LOGIC，表示是逻辑运算
得到运算子类型aluop_o是8'b00100101，查询defines.h文件中的宏定义可知，对应宏EXE_OR_OP，表示逻辑“或”运算
译码得到参与运算的源操作数1是0x00000000，正是$0寄存器的值
译码得到参与运算的源操作数2是0x00001100，正是指令中立即数零扩展后的值
译码得到wreg_o的值为1，表示要写目的寄存器
译码得到要写入的目的寄存器wd_o是5'b00001，正是$1寄存器

（3）观察执行阶段。

进行指定的运算，得到wdata_o为0x00001100，就是要写到目的寄存器的数据
传递译码阶段wreg_o的值，为1，表示要写目的寄存器
传递译码阶段wd_o的值，为5'b00001，表示要写入的目的寄存器是$1寄存器

（4）观察访存阶段

传递执行阶段wdata_o的值，为0x00001100，表示要写到目的寄存器的数据
传递执行阶段wreg_o的值，为1，表示要写目的寄存器
传递执行阶段wd_o的值，为5'b00001，表示要写入的目的寄存器是$1寄存器

（5）观察回写阶段

得到访存阶段wdata_o的值，为0x00001100，表示要写到目的寄存器的数据
得到访存阶段wreg_o的值，为1，表示要写目的寄存器
得到访存阶段wd_o的值，为5'b00001，表示要写入的目的寄存器是$1寄存器

在回写阶段的最后，将按照要求写目的寄存器$1，使得$1的值为0x00001100。通过上面的观察，可知原始的OpenMIPS五级流水线实现正确。接下来，我们就可以以此为基础，不断充实，添加实现更多的MIPS指令，不过，在此之前，我们要先学习使用GNU工具链，本节的例子只有4条指令，可以手工编译，以后会遇到比较复杂，拥有较多指令的程序，届时，手工编译就显得效率低下了，所以要使用GNU工具链。

未完待续！