cpu设计和实现（数据预取）

Posted 2023-01-28 嵌入式-老费

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        前面说过了一条指令经过cpu处理的时候需要经历几个阶段。通过实验，我们发现，哪怕是再简单的ori指令也要经历取指、译码、执行、访存和写回这五个阶段。这从之前的波形图上面可以看的很明显。

1、关于使用iverilog仿真

        很多朋友也会使用《自己动手写cpu》这本书上的代码来仿真。这是完全可以的。目前来说，代码不太好找，我找了一个，上传到GitHub上面，有需要的朋友可以到这里来下载，https://github.com/feixiaoxing/design_mips_cpu/blob/master/Examples-in-book-write-your-own-cpu-master.zip。测试的时候，有几个地方需要注意下，

1）defines.v中指令的数量需要修改，比如修改成64，不然iverilog编译不过，之前作者可能使用的是modelsim软件，对于InstMemNum这一点可能不太那么讲究。

`define InstMemNum 64

2）在openmips_min_sopc_tb.v文件中添加生成波形文件的内容，不然无法显示波形，

initial
begin
    $dumpfile("hello.vcd");
    $dumpvars(0, openmips_min_sopc_tb);
end

3）如果需要debug某一个module文件中的register内容，建议用wire拖出来一下即可

// wire[0:31] regs0_wire;
// wire[0:31] regs1_wire;
// wire[0:31] regs2_wire;
// wire[0:31] regs3_wire;
// wire[0:31] regs4_wire;
// assign regs0_wire = regs[0];
// assign regs1_wire = regs[1];
// assign regs2_wire = regs[2];
// assign regs3_wire = regs[3];
// assign regs4_wire = regs[4];

        平时测试的时候可以放开，后续编译烧入的时候可以重新注释上。

4）另外测试的过程中，可能把需要查看的信号先保存成gtkw文件。这样修改后，直接用gtkwave查看gtkw文件，所有的信号都可以快速看到。不需要再一条一条拖出来查看了，否则效率太低了。

5）对于不同模块之间的代码差异，建议直接用beyond compare查看代码差异，这样理解的更快一点。

2、继续分析流水线

        流水线相比较单周期cpu有很多的优点，但是它的缺点也是很明显的。这些缺点就需要我们一个一个去处理和解决。数据依赖就是其中的一种，假设我们的指令是这样的，

ori $1, $0, 0x1100
ori $1, $1, 0x0020
ori $1, $1, 0x4400
ori $1, $1, 0x0044

        这是一个比较极端的例子，但是却是合理的，我们可以按照现在流水线的做法分析下。当前默认$1寄存器的读取只能从regfile中来，但是实际cpu在处理的时候，这个寄存器的来源还有可能来自于写回、访存和执行。如果一味地认为寄存器只能来自于regfile，这其实是要出问题的，因为这样我们拿到的寄存器数据很有可能不是最新的内容。所以，在id译码的时候，要对原来的数据读取过程做一些调整，

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

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	

        因为写回的部分在regfile.v已经处理过了，所以这里reg1_o和reg2_o只多增加了两个部分内容。即1，如果register发现在执行阶段有更新，那么优先从执行阶段获取数值；2、如果发现在访存阶段有更新，那么从访存阶段来获取数值。注意，这里处理的逻辑顺序，其实代表了数据优先级的获取顺序。

        实验验证的方法也非常简单，我们可以看下ex_reg1每次的数值是不是最新的数值即可，

        通过观察波形图，可以比较明显地发现，数据都是最新的数值。比如第一次是0x0，第二次是0x0010，这代表数值虽然还没有写回到寄存器，但是提前获取到了。第三次是0x1120，代表ex_reg1又被更新到了最新的数值，依次类推。这就是数据预取方法。在后续的场合，我们会多次看到这个方法的使用之处。 

        另外，有需要进行代码调试的朋友，也可以在这个地址直接获取测试代码，https://github.com/feixiaoxing/design_mips_cpu/tree/master/rtl/day04。有了这个代码，加上iverilog+gtkwave就可以在windows平台仿真测试了。