做一个自己的CPU--计组

用来记录计组的作业思路

系统需求

• 汇编器工具：Rust
• 仿真工具：Xilinx Vivado

系统综述

• 指令架构采取变长指令集

• 系统指针长度为64位

• 用1byte寻址

• 有15个寄存器，分别为 $ r_1 - r_{14} $ 以及 $ rsp$ ，用4bit寻址

• 指令格式

  • A: [op] 占1字节
  • B: [op]:[ra]:[rb] 占2字节
  • C: [op]:[ra]:[rb]:[val] 占10字节
  • D: [op]:[val] 占9字节

Feature

• 类x86指令集

• 五级流水

ALU模块

• 提供基本的数据运算
• 提供无符号数溢出，有符号数溢出，负数，为0信号
• 

寄存器模块

• 提供数据备份，数据恢复

• 一个有１５个１６位寄存器

  存储器模块

• 以byte为基础单位

• 提供一个16位读端口，一个32位读端口，一个16位写端口

1. 指令系统

类型	格式	指令	OP	语法	意义
停机指令	A	halt	00	halt	停机
空指令	A	nop	10	nop	空
数据移动指令	C	irmovq	20	irmovq $x,Rb	立即数移动到寄存器
	B	rrmovq	30	rrmovq Ra,Rb	寄存器移动到寄存器
	C	mrmovq	40	mrmovq x(Rb),Ra	存储器移动到寄存器
	C	rmmovq	50	rmmovq Ra,x(Rb)	寄存器移动到存储器
整数操作指令	B	addq	61	addq Ra,Rb	加法
	B	subq	62	subq Ra,Rb	减法
	B	mulq	63	mulq Ra,Rb	乘法
	B	divq	64	divq Ra,Rb	除法
	B	andq	65	andq Ra,Rb	与
	B	orq	66	orq Ra,Rb	或
	B	xorq	67	xorq Ra,Rb	异或
地址跳转指令	D	jmp	70	jmp Dest	直接跳转
	D	je	71	...	相等跳转
	D	jne	72	...	不相等跳转
	D	js	73	...	负数
	D	jns	74	...	非负数
	D	jg	75	...	大于（有符号）
	D	jge	76	...	大于或等于
	D	jl	77	...	小于
	D	jle	78	...	小于或等于
	D	ja	79	...	超过（无符号）
	D	jae	7A	...	超过或相等
	D	jb	7B	...	低于
	D	jbe	7C	...	低于或相等
函数调用指令	D	call	A0	call Dest
	A	ret	B0	ret
	A	iret	80	iret	中断返回

2. 数据通路图

3. 指令流程图

graph TD
interupt --是--> i1[保存现场]
i1 --> i2["执行中断程序"]
i2 --> i3["指向中断的PC"]
i3 --> a1
interupt{是否有中断} --否--> a1

a1["icode <- M[PC]"] --> a2{指令译码}

a2 --> g[整数操作指令]
g --> g1["Ra,Rb <- icode<br/>valP <- PC + 2"]
g1 --> g2["valA <- R[Ra]<br/>valB <- R[Rb]"]
g2 --> g3["ValE <- 结果<br/>Set CC"]
g3 --> g4[" "]
g4 --> g5["R[rB] <- valE"]
g5 --> g6["PC <- ValP"]

a2 --> b[mrmovq]
b --> b1["Ra,Rb <- icode<br/>valC <- icode<br/>valP <- PC + 10"]
b1 --> b2["valB <- R[rB]"]
b2 --> b3["ValE <- valB + valC"]
b3 --> b4["valM <- M[valE]"]
b4 --> b5["R[rA] <- valM"]
b5 --> b6["PC <- ValP"]

a2 --> c[irmovq]
c --> c1["Ra,Rb <- icode<br/>valC <- icode<br/>valP <- PC + 10"]
c1 --> c2[" "]
c2 --> c3["ValE <- 0 + valC"]
c3 --> c4[" "]
c4 --> c5["R[rB] <- valE"]
c5 --> c6["PC <- ValP"]

a2 --> d[rrmovq]
d --> d1["Ra,Rb <- icode<br/>valP <- PC + 2"]
d1 --> d2["valA <- R[Ra]"]
d2 --> d3["ValE <- 0 + valA"]
d3 --> d4[" "]
d4 --> d5["R[rB] <- valE"]
d5 --> d6["PC <- ValP"]

a2 --> e[rmmovq]
e --> e1["Ra,Rb <- icode<br/>valC <- icode<br/>valP <- PC + 10"]
e1 --> e2["valA <- R[Ra]<br/>valB <- R[Rb]"]
e2 --> e3["ValE <- valB + valC"]
e3 --> e4["M[valE] <- valA"]
e4 --> e5[" "]
e5 --> e6["PC <- ValP"]

a2 --> f[iret]
f--> f1["恢复现场，变为中断前pc"]

Loading

graph TD
a1["icode <- M[PC]"] --> a2{指令译码}



a2 --> c["地址跳转指令（JXX）"]
c --> c1["ValC <- icode  ValP <- PC + 9"]
c1 --> c2[" "]
c2 --> c3["Cnd <- Cond(CC,icode)"]
c3 --> c4[" "]
c4 --> c5[" "]
c5 --> c6["PC <- Cnd?ValC,ValP"]

a2 --> d["地址跳转指令（call)"]
d --> d1["ValC <- icode  ValP <- PC + 9"]
d1 --> d2["valB <- R[%rsp]"]
d2 --> d3["valE <- valB-8"]
d3 --> d4["M[valE] <- valP"]
d4 --> d5["R[%rsp] <- valE"]
d5 --> d6["PC <-valC"]

a2 --> e["地址跳转指令（ret)"]
e --> e1["ValP <- PC + 1"]
e1 --> e2["valA <- R[%rsp]<br/>valB <- R[%rsp]"]
e2 --> e3["valE <- valB+8"]
e3 --> e4["valM <- M[valA]"]
e4 --> e5["R[%rsp] <- valE"]
e5 --> e6["PC <-valM"]

a2 --> f["空指令（nop）"]
f --> f1["valP <- PC + 1"]
f1 --> f2[" "]
f2 --> f3[" "]
f3 --> f4[" "]
f4 --> f5[" "]
f5 --> f6["PC <- ValP"]

a2 --> g["停机指令（halt）"]
g --> g1{停机}

Loading

汇编器

• 用于将汇编语言转化成二进制代码，供verilog读写
• 使用rust的nom库编写

执行过程

• 使用汇编器将asm文件编译成二进制文件

   .pos 0
  irmovq Stack,%rsp
  out %rsp
  call main
  halt
main:
  irmovq $1,%r1
  irmovq $1,%r2
loopa:
  addq %r2,%r1
  jmp loopa
  ret
.pos 200
Stack:
.pos 300
interupt1:
  irmovq $400,%r1
  mrmovq 0(%r1),%r2
  irmovq $0,%r5
  subq %r5,%r2
  irmovq $2,%r5
  jmp testb
loopb:
  mrmovq 400(%r2),%r6
  subq %r5,%r2
  out %r6
testb:
  jne loopb
  iret
.pos 350
interupt2:
  irmovq $400,%r1
  irmovq $1024,%r5
  mrmovq 0(%r1),%r2
  mrmovq 0(%r5),%r4
  irmovq $2,%r3
  addq %r3,%r2
  rmmovq %r2,0(%r1)
  addq %r2,%r1
  rmmovq %r4,0(%r1)
  out %r4
  iret

仿真过程

• 执行仿真，模拟键盘输入的信号，将100,200,300键入，触发中断1，并最终触发中断2，倒序输出

  initial
    begin
      clk = 0;
      reset = 1;
      reset1 = 1;
      block = 0;
      interupt = 0;
      #100;
      reset1 = 0;
      #100;
      reset = 0;
      #300;
      keyboard_input = 100;
      interupt = 1;
      #30;
      interupt = 0;
      #1000;
       keyboard_input = 200;
       interupt = 1;
       #30;
       interupt = 0;
       #1000;
       keyboard_input = 300;
       interupt = 1;
       #30;
       interupt = 0;
       #1000;
       interupt = 2;
       #30;
       interupt = 0;
       #1000;
      $finish;
    end
  endmodule

• 输出结果如下，倒序输出了300,200,100

[Mem] 0x  192 to   9
[Mem] 0x  400 to   2
[Mem] 0x  402 to 100
[Mem] 0x  400 to   4
[Mem] 0x  404 to 200
[Mem] 0x  400 to   6
[Mem] 0x  406 to 300
  300
  200
  100

• 综合后仿真与布线后仿真结果相同，均为此输出

DEBUG模式

• 打印出所有寄存器的值

---------------------------------------------------
第  0个周期

取指阶段状态:
分支预测pc：0x                  10
是否暂停: 0
是否冒泡: 0

译码阶段状态: 0
指令： 2
ifun： 8
rA:  0
rB: 14
valP:                   10
valC:                  400
是否暂停: 0
是否冒泡: 0

执行阶段状态: 0
指令： 1
ifun：15
dstE: 15
dstM: 15
valA:                    0
valB:                    0
valC:                    0
cf: x
zf: x
sf: x
of: x
是否暂停: 0
是否冒泡: 0

访存阶段状态: 0
指令： 1
ifun：15
dstE: 15
dstM: 15
valA:                    0
valE:                    0
Cnd: x
是否暂停: 0
是否冒泡: 0

写回阶段状态: 0
指令： 1
dstE: 15
dstM: 15
valE:                    0
valM:                    0
是否暂停: 0
是否冒泡: 0

** VVP Stop(0) **
** Flushing output streams.
** Current simulation time is 3 ticks.

• 使用ls来列出所有寄存器
• 使用cont继续仿真
• 使用finish结束仿真
• 使用$display 来打印其余寄存器和网线的值
• 使用$deposit 来修改寄存器的值

总结

• 完善了流水线，加入了中断指令，使cpu可以保护现场，处理中断程序，恢复现场。
• 注意各种各样的坑，记得看warning，不要不把warning当回事。

参考

• 《深入理解计算机系统》第四章