自己动手写CPU之第五阶段（2）——OpenMIPS对数据相关问题的解决措施

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16篇。我尽量每周四篇

5.2 OpenMIPS对数据相关问题的解决措施

OpenMIPS处理器採用数据前推的方法来解决流水线数据相关问题。

通过补充完好图4-4原始的数据流图，加入部分信号使得能够完毕数据前推的工作，如图5-7所看到的。主要是将运行阶段的结果、訪存阶段的结果前推到译码阶段。參与译码阶段选择运算源操作数的过程。



图5-8给出了为实现数据前推而对OpenMIPS系统结构所做的改动。有两个方面。

（1）将处于流水线运行阶段的指令的运算结果，包含：是否要写目的寄存器wreg_o、要写的目的寄存器地址wd_o、要写入目的寄存器的数据wdata_o等信息送到译码阶段，如图5-8中虚线所看到的。

（2）将处于流水线訪存阶段的指令的运算结果。包含：是否要写目的寄存器wreg_o、要写的目的寄存器地址wd_o、要写入目的寄存器的数据wdata_o等信息送到译码阶段。



为此。译码阶段的ID模块要添加如表5-1所看到的的接口。



译码阶段的ID模块会根据送入的信息。进行综合推断。解决数据相关，给出最后要參与运算的操作数。

ID模块的代码要做例如以下改动，当中主要改动部分使用加粗、斜体表示。改动后的代码位于本书光盘的Code\Chapter5_1文件夹下的id.v文件。

module id(

......

//处于运行阶段的指令的运算结果
input wire			   ex_wreg_i,
input wire[`RegBus]		   ex_wdata_i,
input wire[`RegAddrBus]       ex_wd_i,

//处于訪存阶段的指令的运算结果
input wire		          mem_wreg_i,
input wire[`RegBus]           mem_wdata_i,
input wire[`RegAddrBus]       mem_wd_i,

......

//送到运行阶段的源操作数1、源操作数2
output reg[`RegBus]           reg1_o,
output reg[`RegBus]           reg2_o,
......
);

......

//给reg1_o赋值的过程添加了两种情况：
//1、假设Regfile模块读port1要读取的寄存器就是运行阶段要写的目的寄存器。
//   那么直接把运行阶段的结果ex_wdata_i作为reg1_o的值;
//2、假设Regfile模块读port1要读取的寄存器就是訪存阶段要写的目的寄存器，
//   那么直接把訪存阶段的结果mem_wdata_i作为reg1_o的值;
always @ (*) begin
if(rst == `RstEnable) begin
reg1_o <= `ZeroWord;
end else if((reg1_read_o == 1'b1) && (ex_wreg_i == 1'b1)
&& (ex_wd_i == reg1_addr_o)) begin
reg1_o <= ex_wdata_i;
end else if((reg1_read_o == 1'b1) && (mem_wreg_i == 1'b1)
&& (mem_wd_i == reg1_addr_o)) begin
reg1_o <= mem_wdata_i;
end else if(reg1_read_o == 1'b1) begin
reg1_o <= reg1_data_i;
end else if(reg1_read_o == 1'b0) begin
reg1_o <= imm;
end else begin
reg1_o <= `ZeroWord;
end
end

//给reg2_o赋值的过程添加了两种情况：
//1、假设Regfile模块读port2要读取的寄存器就是运行阶段要写的目的寄存器，
//   那么直接把运行阶段的结果ex_wdata_i作为reg2_o的值;
//2、假设Regfile模块读port2要读取的寄存器就是訪存阶段要写的目的寄存器，
//   那么直接把訪存阶段的结果mem_wdata_i作为reg2_o的值;
always @ (*) begin
if(rst == `RstEnable) begin
reg2_o <= `ZeroWord;
end else if((reg2_read_o == 1'b1) && (ex_wreg_i == 1'b1)
&& (ex_wd_i == reg2_addr_o)) begin
reg2_o <= ex_wdata_i;
end else if((reg2_read_o == 1'b1) && (mem_wreg_i == 1'b1)
&& (mem_wd_i == reg2_addr_o)) begin
reg2_o <= mem_wdata_i;
end else if(reg2_read_o == 1'b1) begin
reg2_o <= reg2_data_i;
end else if(reg2_read_o == 1'b0) begin
reg2_o <= imm;
end else begin
reg2_o <= `ZeroWord;
end
end

endmodule

除了改动译码阶段ID模块的代码，还要改动顶层模块OpenMIPS相应的代码，在当中添加图5-8所看到的的连接关系。详细改动过程不在书中列出，读者能够參考本书附带光盘的Code\Chapter5_1文件夹下的openmips.v文件。

(代码会在稍后上传)

5.3 測试数据相关问题解决效果

測试程序例如以下，当中存在5.1节讨论的RAW相关的三种情况，源文件是本书附带光盘Code\Chapter5_1\AsmTest文件夹下的inst_rom.S文件。

.org 0x0
.global _start
.set noat
_start:
ori $1,$0,0x1100        # $1 = $0 | 0x1100 = 0x1100
ori $1,$1,0x0020        # $1 = $1 | 0x0020 = 0x1120
ori $1,$1,0x4400        # $1 = $1 | 0x4400 = 0x5520
ori $1,$1,0x0044        # $1 = $1 | 0x0044 = 0x5564

指令的凝视给出了预期运行效果。

将上述inst_rom.S文件，与第4章实现的Bin2Mem.exe、Makefile、ram.ld这三个文件复制到Ubuntu虚拟机中的同一个文件夹下，打开终端，使用cd命令进入该文件夹，然后输入make all，就可以得到可以用于ModelSim仿真的inst_rom.data文件。

在ModelSim中新建一个project。加入本书附带光盘Code\Chapter5_1文件夹下的全部.v文件。然后能够编译。再复制上面得到的inst_rom.data文件到ModelSimproject的文件夹下，就能够进行仿真了。ModelSim中新建project、仿真的具体步骤能够參考第2章。

执行仿真，观察寄存器$1值的变化，如图5-9所看到的。$1的变化符合预期，所以改动后的OpenMIPS正确攻克了数据相关问题。



下一步将实现逻辑、移位、空指令，敬请关注！