一些CPU设计实例

北桥接口信号说明
• • • • oe：CPU输出使能，1bit ie：北桥输入使能，1bit iee：CPU允许北桥输入使能，1bit Sys_con：系统双向传递总线，65bit
– Sys_con[64]：1－>CPU写操作，2－>CPU读操作 – Sys_con[63:32]：32bit地址信号 – Sys_con[31:0]：32bit数据信号
PC的来源
停止取指的情况
• 发射堵塞（Issue_stall）
– 出现指令有相关情况
• 特殊指令（Special Instruction）
– 有些情况需要停止取指，如Cache0、跳转指令 （无转移预测）、出现取指地址错例外等等
• 如何处理
– 设置PC的有效位，一旦停止取指，有效位置无效
跳转指令的延迟槽（Delay Slot）
– 顺序发射，乱序结束（本实例采用的方式）
• 分析乱序结束出现的情况
–一条访存指令运行结束前，之后数条ALU指令 已经执行完毕
解决方式
• ALU指令出现例外
–停止取指，停止发射，停止写回，直到访存结 果返回之后，进入例外处理程序
• 访存指令出现例外
–例外种类，地址错例外 –处理方式，判断地址错例外的时机，一拍完成
Cache的组织
Cachestate：4种状态，单处理器只使用两种 • • • • Invalid（00） Share（01） Clean Exclusive（10） Dirty Exclusive（11） ※ ※
32bit物理地址的划分
• Tag（20位）：比较是否命中 • Index（7位）：查找哪一个Cacheline • Offset（5位）：定位Cacheline中哪一个字节
Cache的工作流程（读）
• 目的：32bit物理地址－>访存结果（32bit）
Cache的工作流程（写）
• 只有数据Cache才需要写内存 • 如果Tag比较命中，直接写入Cacheline中 • 如果没有命中，需要先把内存中的相同物 理地址内容读入Cache中，再写入 • 如果Cacheline中原有状态位为Dirty，则还 需要把原有内容按该物理地址写入到内存 中去 • 理解Writeback与Writethrough的区别
例外之前的指令结果尚未返回
• 停止之后指令的取指、发射、写回 • 将当前指令的内容和PC值放入控制寄存器 模块中储存起来 • 待前面指令内容返回之后，发出例外信号， 转入例外处理程序的入口地址 • 发出例外信号的同时，判断EPC中应存放 的例外地址并置入
Cache模块
• • • • • • • 指令Cache和数据Cache独立 直接映射 写回机制 虚地址低位查找（Index、Offset） 物理地址高位比较 各4KByte大小 Cache Line是32Byte（256bit）
取指&译码 发射 执行&写回
取指&译码
发射
访存
写回
MIPS存储系统体系和管理 • 操作方式：用户态、核心态
功能模块结构
取指模块（Fetch）
• PC－> 指令Cache －> 指令－> 译码 • PC的来源：PC＋4（通常）、跳转指令（目标地址）、
例外处理（例外处理向量入口地址、EPC内容）
• 停止取指的情况（发射堵塞、特殊指令） • 跳转指令的Delay Slot（延迟槽） • 指令Cache的实现问题（同步与异步RAM）
控制寄存器模块（Control Register）
• 主要进行例外处理 • 所能够处理的例外
– 复位、地址错（取指、访存读、访存写）、溢 出、自陷、保留指令、中断
• 所实现的例外处理寄存器
– 计数（Count）、比较（Compare）、状态 （Status）、原因（Cause）、例外地址 （EPC）、版本标识（Prid）
发射模块（Issue）
• 静态流水线
– 遇到相关情况就停止发射，直到相关解决
• 相关情况分析
– ALU和跳转指令一拍完成，即使出现这些指令 间的相关也没有问题 – MFC0、MTC0、CACHE0和CACHE1指令也 可以是一拍完成 – 访存指令中的LW、SW指令执行时间不确定， 其后指令有相关必须停止发射
• 三种地址错情况（取指、访存读、访存写） • 取指
– 例外作为取指的结果送回，并当作一条特殊指令 对待，直到送入控制寄存器模块，发生例外 – 取指模块判断地址错后，停止取指
• 访存读、写
– 在ALU模块中直接判断是否发生访存地址错例外， 如果发生，直接进入控制寄存器模块，而不进入 Cache模块 – 同时清除在发射模块中标志访存操作的标志位
• 延迟槽的意义
– MIPS指令系统的规定，由编译器自动处理
• 处理跳转指令的方法
– 遇见跳转指令就停止取指，直到获得目标地址 （流水线的要求） – 采用分支预测 – J指令的处理，在ALU模块中计算转移地址
• 原则：必须保证处在延迟槽的指令被运行！
指令Cache对取指模块的影响
• RAM的同步、异步问题
译码模块（Decode）
• 由MIPS指令转化为CPU内部操作码 • 内部操作码的定义
– 应当分组（ALU、MEM、Branch）
• 分组示例
– ALU：ADD －> 00001、SUB －> 00011 – MEM：LW －> 10000、 SW －> 10001 – Branch： J －> 11000、BEQ －> 11010
北桥接口信号
• oe＝1，表示CPU发出访存请求，此时iee ＝0，ie＝0 • oe＝0，表示CPU所发的访存请求结束，此 时iee=1，允许北桥传送数据 • ie＝0，表示北桥发送访存结果，此时oe＝ 0，iee＝0 • CPU、北桥均无请求，sys_con总线置高阻 态
实验说明（1）
• 本实例所使用的北桥仅仅是一个初级的 SRAM控制器，连接CPU和SRAM及ROM • SRAM大小为2MB，ROM大小为1MB • 实验提供接口、北桥和SRAM及整个系统顶 层的Verilog代码，实验者自行设计CPU内 部其余所有模块
MIPSI指令集32位CPU 设计实例
赵继业
处理器特性介绍
• 全32位操作，32个32位通用寄存器，所有 指令和地址全为32位 • 静态流水线（3～5级） • Forwarding技术 • 片内L1 Cache，指令、数据各4KByte，硬 件初始化 • 没有TLB，但系统控制协处理器（CP0）具 有除页面映射外的基本功能
– 同步写入，读出的同步、异步问题
• 指令Cache必须保证一拍结果返回
– 采用异步读RAM的处理方式（正常方式）
• 解决方法
– 提前将PC的内容放入RAM中 – 相应的考虑
• 指令Cache的比较对象（必须一致） • 设置PC备份寄存器 • 设置pc_in_en，决定PC是否可以进入寄存器 • pc_valid的考虑（实际上提前一拍）
– LW、SW、MTC0、MFC0、CACHE（0、1）
• 跳转类指令
– J、JR、BEQ、BGTZ、GLEZ
• 其他指令
– ERET、TEQ
流水线结构
单条指令运行步骤 • Fetch & Decode(取指并译码) • Issue（发射） • Execute & Writeback（执行并写回）
实验说明（2）
• 设计CPU内部电路所使用的Verilog代码必 须均为可综合方式 • 所有时序器件必须使用同步逻辑（时钟上 跳沿触发），不能使用异步逻辑（电平触 发） • 提供Cache模块中SRAM的仿真用Verilog文 件，不能自行用寄存器搭建
实验说明（3）
• 在完成CPU设计之后，将对其进行进一步 的综合（Synthesis），生成网表（netlist） 文件 • 对网表文件进行零延迟仿真和时序反标仿 真（back annotation） • 观察综合及三次仿真（包括行为级仿真） 结果，完成实验最终报告
• 停止发射也必须同时停止取指
发射模块中必须考虑的问题
• 两个功能部件（ALU和数据Cache） • 区别：执行指令的周期数不同 • 结果：指令的结束顺序被打乱（前面访存 指令的结果尚未返回，后面与之不相关的 ALU指令已经完成） • 必须考虑：一旦指令（包括ALU指令和访存 指令）运行中出现例外，如何处理？
修改发射策略
• 访存等待
– 一旦遇到访存指令，必须等访存指令结果返回 后，下一条指令才能发射出去
• 优点：顺序发射，顺序结束，例外处理比 较简单方便 • 缺点：指令间没有相关也必须等待！
乱序执行时的精确例外处理
• 两种方式：
– 乱序发射，顺序结束（龙芯－1采用的方式）
• 指令执行完后，等待，直到允许写回才能写入到寄 存器中
• 效率较高，在“龙芯－1”中使用Forwarding 技术前后性能差距超过10％
Forwarding图解
ADD R3,R5,R2 SUB R4,R1,R3
发射判断 执行&写回
R3 可用 R4 可用
发射判断 执行&写回
发射判断 执行&写回
算术及逻辑模块（ALU）
• • • • • 是一个运算单元 根据发射来的指令码判断所应当做的操作 不同指令的结果存储寄存器不同（Rd或Rt） 判断指令执行所导致的例外（溢出、自陷） 主要目标：尽量节省硬件开销
• 优缺点
–优点：不出现前后指令相关则无需等待 –缺点：例外处理比较复杂
Forwarding技术
• 什么是Forwarding？
– 发射时必须判断寄存器内容是否可用 – 运算指令即便一拍完成，该指令结果也必须在 下一拍对发射可用 – 实现对运算结果的侦听，一旦结果总线上结果 可用就直接取值用于发射
MIPS指令格式介绍
1、R类型指令（寄存器） OP rs rt rd shamt funct 2、I类型指令（立即数） OP rs rt Imm 3、J类型指令（跳转） OP target
所支持的指令
• 算术逻辑类指令
– ADD、ADDI、SUB、AND、OR、NOR、SLL、 SRL、SRA
• 访存类指令
接口模块
• 连接CPU与外部设备（北桥、内存、外设 等） • 允许CPU访问Cache未命中所需的外部资 源，同时也允许外设访问CPU内部资源 • 信号转换（Reset、Interrupt）和信息交换 （访存请求、访存结果） • CPU内外频率配合（内频＝外频×倍频）
接口模块设计要求
• 与北桥连接为双向三态总线（0、1、Z） • 能够提供内外频率转换 • 将Cache发出的块操作转化为八个地址请求， 并连续发出 • 将北桥返回的访存结果拼成一个Cacheline （256bit），送至Cache模块 • 外部信号（Reset、Interrupt）锁存后，送 往CPU内部
块操作（Block）
•ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ在CPU使用Cache时，所有的Cache访存操 作都是块操作，一次一个Cacheline • 与单字操作相比，块操作提高了效率 • CPU直接访存，不使用Cache时，采用单 字操作 • 本实例中使用Cache硬件初始化，都是块操 作，如果是操作系统软件初始化，就必须 存在单字操作
需要考虑到的问题
• 两个操作：MTC0、MFC0
– 必须一拍完成并且返回结果
• EPC内容
– 当一条指令发生例外时，如果前一条指令不是 跳转指令，则EPC内容为发生例外的指令PC值， 否则是前一条指令的PC值，同时Cause寄存器 中的BD位置1
• 原则：必须全面考虑所有例外情况
地址错例外的处理