自己动手写CPU之第七阶段（6）——乘累加指令实现思路

将陆续上传本人写的新书《自己动手写CPU》，今天是第29篇，我尽量每周四篇

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7.6 乘累加、乘累减指令说明

乘累加、乘累减指令有4条，包括：madd、maddu、msub、msubu，各指令的格式如图7-11所示。从图中可知这4条指令的指令码都是SPECIAL2，第6-15bit都为0，可以依据第0-5bit的功能码确定是哪一种指令。



当功能码是6'b000000时，表示是madd指令，有符号乘累加运算

指令用法为：madd rs, rt

指令作用为：{HI, LO} <- {HI, LO} + rs × rt，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值，作为有符号数进行乘法运算，运算结果与{HI, LO}相加，相加的结果保存到{HI, LO}中。此处{HI, LO}表示的是HI、LO寄存器连接形成的64位数，HI是高32位，LO是低32位。

当功能码是6'b000001时，表示是maddu指令，无符号乘累加运算

指令用法为：maddu rs, rt

指令作用为：{HI, LO} <- {HI, LO} + rs × rt，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值，作为无符号数进行乘法运算，运算结果与{HI, LO}相加，相加的结果保存到{HI, LO}中。

当功能码是6'b000100时，表示是msub指令，有符号乘累减运算

指令用法为：msub rs, rt

指令作用为：{HI, LO} <- {HI, LO} - rs × rt，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值，作为有符号数进行乘法运算。然后使用{HI, LO}减去乘法结果，相减的结果保存到{HI, LO}中。

当功能码是6'b000101时，表示是msubu指令，无符号乘累减运算

指令用法为：msubu rs, rt

指令作用为：{HI, LO} <- {HI, LO} - rs × rt，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值，作为无符号数进行乘法运算。然后使用{HI, LO}减去乘法结果，相减的结果保存到{HI, LO}中。

7.7 乘累加、乘累减指令实现思路

7.7.1 实现思路

在本章开始已经说明了乘累加、乘累减指令的实现思路，计划在流水线执行阶段采用两个时钟周期完成运算，第一个时钟周期进行乘法运算，第二个时钟周期将乘法结果与HI、LO寄存器进行加/减法。

7.7.2 系统结构的修改

为了实现7.7.1节的思路，必须要保存两个信息：（1）当前是第几个时钟周期；（2）乘法结果。OpenMIPS通过在EX/MEM模块中添加两个寄存器cnt、hilo，分别保存上述信息。修改系统结构如图7-12所示。



执行阶段EX模块的输出hilo_temp_o是乘法结果，传递到EX/MEM模块，并在下一个时钟周期送回EX模块，参与第二个时钟周期的加/减法运算。

执行阶段EX模块的输出cnt_o代表当前是第几个时钟周期，传递到EX/MEM模块，并在下一个时钟周期送回EX模块，后者据此判断当前处于乘累加、乘累减指令的第几个执行周期。

下一次将给出实现乘累加、乘累减指令的代码，敬请关注！