計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、電 子 科 技 大 學(xué)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 一、實(shí)驗(yàn)室名稱：計(jì)算機(jī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)原理：1. 由教師給出一個(gè)具有基本功能的Verilog HDL流水線源代碼；2. 學(xué)生完成下面3個(gè)方面的內(nèi)容：（1）自行設(shè)計(jì)匯編偽指令格式，完成一個(gè)能把自己的匯編指令轉(zhuǎn)換成流水線CPU能夠識(shí)別的二進(jìn)制指令的匯編器，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言不限；（2）自行設(shè)計(jì)能夠解決數(shù)據(jù)相關(guān)的機(jī)制并基于源代碼進(jìn)行擴(kuò)展；（3）自行設(shè)計(jì)能夠解決控制相關(guān)的機(jī)制并基于源代碼進(jìn)行擴(kuò)展。四、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簬椭鷮W(xué)生理解流水線的運(yùn)行機(jī)制和基于Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：(一)

2、基本流水線分析1.1 認(rèn)真閱讀和理解源代碼，請(qǐng)?jiān)敿?xì)按要求回答每個(gè)問(wèn)題。1. 源代碼中文件是按什么樣的規(guī)律來(lái)組織的？答：按照子模塊組織源代碼文件。模塊pipelinedcpu_tb用來(lái)控制CPU的時(shí)鐘等信號(hào)，調(diào)用pipelinedcpu模塊（假定為1級(jí)模塊，最高級(jí)），1級(jí)模塊中按順序調(diào)用各個(gè)周期以及周期與周期之間的中間寄存器模塊（假定為2級(jí)模塊），2級(jí)模塊中調(diào)用各自部件模塊（假定為3級(jí)模塊）。模塊pipelinedcpu用來(lái)控制每級(jí)流水線及流水線級(jí)之間的控制信號(hào)，寄存器信息，其余子模塊用來(lái)具體實(shí)現(xiàn)每一級(jí)流水線的功能。2. 存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)方式？答：用一個(gè)二維數(shù)組reg 31:0 ram 0:31 實(shí)

3、現(xiàn)，其中第一維代表32位地址，第二維代表32位數(shù)據(jù)接口有：32位輸入數(shù)據(jù)和輸出，32位地址，一個(gè)同步時(shí)鐘脈沖clk，一個(gè)控制寫(xiě)入的信號(hào)we先對(duì)二維數(shù)組進(jìn)行初始化讀數(shù)據(jù)時(shí)不需要時(shí)鐘脈沖的激勵(lì)，寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)需要時(shí)鐘脈沖的上升沿激勵(lì)信號(hào)并且we信號(hào)為13. 源代碼文件中的流水線與我們課堂上講的原理電路圖有何相同之處，有何不同之處答：相同:WB級(jí)，寫(xiě)回級(jí)使用2路32位的多路選擇器來(lái)選擇是獲取ALU的計(jì)算結(jié)果還是LOAD指令從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取出來(lái)的數(shù)據(jù)。這里與課堂上所講的內(nèi)容基本相同。流水線都分為五個(gè)執(zhí)行級(jí)，都是在譯碼級(jí)產(chǎn)生各種控制信號(hào)，一級(jí)一級(jí)往后傳，分離的指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。各個(gè)部件以及邏輯都沒(méi)有太

4、大差異不同:源代碼文件中的流水線中的ALU部件的輸出接在一個(gè)兩路選擇器上，并且沒(méi)有zero輸出端，而課堂上的直接輸出到中間寄存器源代碼文件中沒(méi)有關(guān)于消除數(shù)據(jù)相關(guān)的代碼，而課堂上講的原理電路圖有消除數(shù)據(jù)相關(guān)的線路沒(méi)有數(shù)據(jù)前推和load前推的相關(guān)實(shí)現(xiàn)，指令格式的區(qū)別，流水線alu運(yùn)算部件兩個(gè)端口都可以接受立即數(shù)。4. 通過(guò)分析，寫(xiě)出本流水線的控制信號(hào)有哪些？對(duì)比我們課堂上講的控制信號(hào)的差別有哪些？答：本實(shí)驗(yàn)的控制信號(hào)主要有：wreg、m2reg、wmem、jal、aluc、aluimm分別表示指令是否要寫(xiě)寄存器、信號(hào)是否有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)需要寫(xiě)回寄存器、是否有指令需要往數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中寫(xiě)數(shù)據(jù)、流水線

5、寄存器R是要寫(xiě)入ALU的運(yùn)算結(jié)果還是EPC的內(nèi)容、指令的操作類型，例如加、減、與、或。、ALU的B輸入端是否要選擇立即數(shù)輸入差別主要有：regrt信號(hào)控制目的寄存器是rd或rt，sext信號(hào)控制是否需要傳遞立即數(shù)，wmem信號(hào)控制是否需要訪存，jal信號(hào)控制exe級(jí)和mem級(jí)之間是傳遞運(yùn)算結(jié)果還是立即數(shù)，這些信號(hào)是課堂上的流水線沒(méi)有的。1.2 針對(duì)流水線的指令集，編寫(xiě)必要的測(cè)試指令，分析運(yùn)算結(jié)果，回答哪些指令的組合能由此流水線源代碼正確實(shí)現(xiàn)，哪些指令的組合不能由此流水線源代碼正確實(shí)現(xiàn)。（要求在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中寫(xiě)出所完成的測(cè)試指令的組合、每個(gè)組合的仿真過(guò)程及結(jié)果、每個(gè)過(guò)程和結(jié)果的必要分析。）（1）第一

6、組指令序列指令序列：add r2 r1 1add r2 r1 10add r1 r3 1add r1 r2 10add r2 r2 1add r2 r3 10sub r2 r1 r3截圖：結(jié)果分析：觀察三到九周期的ealu信號(hào)分別為（10,1,1,10,1,10,10），第九個(gè)周期的ealu為10，該周期執(zhí)行的指令是sub r2 r1 r3;可見(jiàn)第一條指令賦值r1=10;第二條指令賦值r2=1;所以最后一條指令sub r1 r1 r2執(zhí)行后結(jié)果為9，符合條件。當(dāng)有數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí)，就會(huì)出問(wèn)題，再觀察第五、六、七兩個(gè)周期，指令的執(zhí)行結(jié)果均為1。故該程序不能解決數(shù)據(jù)相關(guān)問(wèn)題。(二) 匯編器實(shí)現(xiàn)2.1自行

7、設(shè)計(jì)與所給出的流水線指令的匯編格式，在下表中寫(xiě)出。指令指令意義Op31:26Op2 25:2019:1514:109:54:0add寄存器加法00000000000100000rdrsrtadd rd rs rtsub寄存器減法00000000001000000rdrsrtsub rd rs rtmul寄存器乘法00000000001100000rdrsrtmul rd rs rtand寄存器與00000100000100000rdrsrtand rd rs rtor寄存器或00000100001000000rdrsrtor rd rs rtxor寄存器異或00000100010000000r

8、drsrtxor rd rs rtsra算術(shù)右移000010000001shiftrd00000rtsra rd rt shiftsrl邏輯右移000010000010shiftrd00000rtsrl rd rt shiftsll邏輯左移000010000011shiftrd00000rtsll rd rt shiftjreg寄存器跳轉(zhuǎn)0000100001000000000000rs00000jreg rsaddi立即數(shù)加法00010116位immediatersrtaddi rt rs immemuli立即數(shù)乘法00011116位immediatersrtmuli rt ts immean

9、di立即數(shù)與00100116位immediatersrtaddi rt rs immeori立即數(shù)或00101016位immediatersrtori rt rs immexori立即數(shù)異或00110016位immediatersrtxori rt rs immeload取整數(shù)數(shù)據(jù)字00110116位offsetrsrtload rt rs offsetstore存整數(shù)數(shù)據(jù)字00111016位offsetrsrtstore rt rs offsetbeq相等則跳轉(zhuǎn)00111116位offsetrsrtbeq rt rs offsetbne不相等則跳轉(zhuǎn)01000016位offsetrsrtbne

10、 rt rs offsetlui設(shè)置高位01000116位immediate00000rtlui rt immejump無(wú)條件跳轉(zhuǎn)01001026位addressjump addressjal子程序調(diào)用01001126位addressjal address2.2寫(xiě)出實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言、主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、主要功能模塊名字和功能、以必要的流程圖。代碼截圖：2.3給出匯編器的運(yùn)行界面(若有)，寫(xiě)出所實(shí)現(xiàn)的匯編器的操作步驟及使用說(shuō)明，并自己設(shè)計(jì)并給出測(cè)試用例及運(yùn)行結(jié)果，使得所有指令均能自動(dòng)生成二進(jìn)制格式的指令。匯編器的使用步驟：（1）在程序目錄下的instruction.txt中輸入指令 （2）運(yùn)行程序。 （3）打

11、開(kāi)instruction.txt，發(fā)現(xiàn)在指令的下方依次出現(xiàn)了各條指令對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼。測(cè)試截圖：(三) 數(shù)據(jù)相關(guān)分析及解決數(shù)據(jù)相關(guān)的分析（1）一般指令的數(shù)據(jù)相關(guān)分析rs2即第二源操作數(shù)可以是寄存器或者立即數(shù)，但根據(jù)字符串解析可以區(qū)分出來(lái)，因此這些指令都?xì)w為一類解決數(shù)據(jù)相關(guān)問(wèn)題。產(chǎn)生相關(guān)的條件： 如上圖所示，相鄰的兩條指令中，如果第二條指令的兩個(gè)源操作數(shù)寄存器與上一條指令的目的操作數(shù)寄存器相同，那么第二條指令在譯碼周期從寄存器堆中取源操作數(shù)值的時(shí)候，上一條指令還只在執(zhí)行周期，還沒(méi)有將最后結(jié)果寫(xiě)回到相應(yīng)的寄存器中，因此第二條指令取到的源操作數(shù)的值并不是最新的值，因此而產(chǎn)生了數(shù)據(jù)相關(guān)。解決方案： 如上

12、圖所示，在直接相鄰的兩條產(chǎn)生數(shù)據(jù)相關(guān)的指令之間插入三條空指令，這樣在第二條指令譯碼之前，第一條指令已經(jīng)將結(jié)果寫(xiě)回，第二條指令取到的源操作數(shù)的值是最新的值，數(shù)據(jù)相關(guān)就消除了。以上情況針對(duì)相鄰的兩條產(chǎn)生數(shù)據(jù)相關(guān)指令的分析，而對(duì)于中間隔了一條或兩條無(wú)數(shù)據(jù)相關(guān)指令的兩條指令產(chǎn)生了數(shù)據(jù)相關(guān)，解決方案是分別插入兩條、一條空指令。（2）store和條件跳轉(zhuǎn)指令的數(shù)據(jù)相關(guān)分析及解決store和條件跳轉(zhuǎn)指令設(shè)計(jì)的格式：op + rs + rt + offset對(duì)于這兩條指令來(lái)說(shuō)，rs和rs相當(dāng)于源操作數(shù)，而它們沒(méi)有目的操作數(shù)，因此在判斷一般指令的數(shù)據(jù)相關(guān)需要作另外特殊判斷。（3）jreg指令指令格式： op +

13、 rs沒(méi)有目的寄存器，且只有一個(gè)源操作數(shù)，可以與條件跳轉(zhuǎn)指令歸為一類判斷。2. 數(shù)據(jù)相關(guān)的解決（1） 程序流程圖 上圖左邊部分就是匯編器實(shí)現(xiàn)部分的流程圖，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，即如箭頭所指方向，中間兩步替代為右邊部分。（2） 測(cè)試程序指令： xor r2, r2, r2 add r3, r2, r1xor r2, r2, r2 addi r1, r1, 20 addi r2, r2, 10 lui r1, 1翻譯結(jié)果： 如上圖所示，在產(chǎn)生數(shù)據(jù)相關(guān)的指令前插入了空指令“addi r0 r0 0”。在xilinx中的仿真結(jié)果：結(jié)果是正確的。(四) 控制相關(guān)分析及解決1. 控制相關(guān)分析在有跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，

14、倘若跳轉(zhuǎn)指令的操作數(shù)有寄存器，因此而產(chǎn)生的相關(guān)為數(shù)據(jù)相關(guān)，在（三）中已經(jīng)解決，而控制相關(guān)指：跳轉(zhuǎn)指令只能在譯碼級(jí)被檢測(cè)出來(lái)并形成跳轉(zhuǎn)地址，而此時(shí)PC值已經(jīng)更新為跳轉(zhuǎn)指令的下一條指令的PC值，所以無(wú)論跳轉(zhuǎn)是否成功，該指令都會(huì)被執(zhí)行，跳轉(zhuǎn)不成功是沒(méi)問(wèn)題的，但是跳轉(zhuǎn)成功就產(chǎn)生了控制相關(guān)。所以在跳轉(zhuǎn)指令后加一條空指令就可以解決所有問(wèn)題。2. 控制相關(guān)解決程序中，只要在判斷完數(shù)據(jù)相關(guān)的時(shí)候，再判斷當(dāng)前指令是否是跳轉(zhuǎn)指令，如果是，則再翻譯一條空指令到文件，如果不是，則取下一條指令進(jìn)行同樣的數(shù)據(jù)相關(guān)及控制相關(guān)的操作。（1）在功能模塊clear_relation_and_translate的最后加一下代碼段：（2） 測(cè)試程序： （3） 結(jié)果分析：六、實(shí)驗(yàn)器材（設(shè)備、元器件）：PCWindows 8