课程project复习 - CPU-hazard

一、什么是hazards

　　hazards是CPU在当前周期无法获取所要取的寄存器的值的问题。出现情况主要分为以下三种：

1、一般计算



　　第一个ADD将和赋给gr3，第二个ADD则是要用到gr3的值。如果第二个ADD想要gr3的值，必须等到第一个ADD执行到WB阶段，才能得到gr3被更新之后的值。所以还要等3个周期。因此，中间的三个ADD其实都应该换成nop，否则gr3就是更新之前的值，导致最后的结果不是我们实际想要的。

　　软件的解决方法就是添加nop了，但现在要用硬件的解决办法：data_forwarding：其实不用等到第一个ADD执行到WB才能得到更新之后的gr3的值，因为这个值是在ID和EX之间（ALU）计算出来的，然后存入了ALUo，进而赋给reg_C、reg_C1，最后才到gr3。所以可以通过data forwarding，利用这些提前得到计算结果的中间变量给reg_A/B赋值，如下图所示：



2、LOAD指令

　　通过data forwarding解决了两个计算指令之间的冲突，但是它不能解决所有的赋值问题。LOAD的问题就不能：



　　因为LOAD指令是从内存中取值，所以ALU计算出来的ALUo和赋给的reg_C都只是从内存中取值的地址，而不是从内存中得到的值。这个值是在MEM阶段才得到的。所以中间必须等待一个周期，才能用data forwarding的方式，获取d_datain的值。这种方法就是Stall。

　　实现方式：在下个周期内，维持pc的值。然后id_ir赋为nop指令，也就是什么都不做。（所以其实和软件实现的思路一样……）



3、跳转指令

　　如果当前指令已经是跳转指令了，那么，肯定不能让在指令内存中紧接着的指令执行了，否则可能会导致意想之外的情况发生。

　　怎么解决呢？方法依然是Stall，因为要保持pc不变。

二、代码实现

　　通过前面对hazards的两种情况的解释，应该对实现有一个大致的框架了：用组合逻辑实现，每次判断id_ir和ex_ir、mem_ir、wb_ir之间的关系，然后将判断结果写入变量中，供下一个周期到来时，CPU判断是否需要data forwarding或者stall。

1、data forwarding

① change_ex、change_mem、change_wb：判断前1~3条指令是否会修改r1的值（必要性：如果都不会修改寄存器的值，就不需要data forwarding了）



② spe_idir：大部分计算指令的reg_A对应的寄存器的地址都是id_ir的6~4位，但是ADDI、SUBI和LDIH这三个比较特殊，reg_A是10~8位，由于这个位置是接下来判断是否需要data forwarding的关键，所以要特别区分这种状态。



③ needForwardRegA、needForwardRegB：判断当前指令是否会修改r1的值



④ ForwardRegA、ForwardRegB：是否需要进行data forwarding，如果需要，又要判断和哪个指令发生了hazards，以确定reg_A/B应该取什么值



⑤ ForwardSmdr：这个是后来才发现的问题，别忘了ID阶段还对smdr赋值了，这个变量储存了执行STORE的时候储存进内存的值，它的值也是从寄存器中取的，所以也要进行data forwarding：



⑥ ID阶段，对reg_A、reg_B、smdr的赋值：

reg_A：


reg_B：


smdr：


2、Stall

① needRegA、needRegB：判断i_datain是不是需要从寄存器中取值



② stallPc、stallInstr：在needRegA和needRegB的基础上，判断id_ir是不是LOAD指令、寄存器地址是否对应、是不是跳转指令，进而判断是否需要stall



③ 在IF阶段对PC和id_ir的赋值



三、板上验证

　　经过前面好多步骤终于写好了hazard，下一步就是验证它能不能工作了。测试代码就是修改instr_mem的指令，修改data_mem的数据。而指令都是类似汇编语言的指令，其实只要根据每一个指令的结构认真阅读，就可以理解了。

1、冒泡排序





2、最小公倍数、最大公约数





四、资料下载

代码&测试代码