基于 Verilog HDL 的多周期 CPU 設(shè)計與實現(xiàn)

嚴浦洲 合肥工業(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院計算機與信息工程系

引言

早期CPU都是單周期的，結(jié)構(gòu)簡單，即讓CPU每個時鐘周期執(zhí)行一條指令。但有的指令執(zhí)行耗時長，有的指令執(zhí)行耗時短，且CPU是執(zhí)行完一條指令再處理下一條的，既然給每個指令的時鐘周期都是相同的，那么時鐘周期就是耗時最長的指令所需的時間。后來人們意識到了計算機的巨大能力，這時為了提升CPU的速度，優(yōu)化CPU的結(jié)構(gòu)，對指令集的所有指令作分析，可以發(fā)現(xiàn)它們處理過程有相同的地方，于是便可將所有的指令切成幾段基本操作，指令執(zhí)行過程由多個基本操作組成，便引入了多周期CPU結(jié)構(gòu)。

1 設(shè)計原理

多周期 CPU 是將單條指令的執(zhí)行劃分為若干個工作周期，每個工作周期用一個時鐘周期完成，每條指令的具體功能決定了完成該指令需要的工作周期數(shù)目。指令執(zhí)行過程中狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由有限狀態(tài)機進行實現(xiàn)，控制單元根據(jù)指令和其所處工作周期發(fā)出為操作命令信號來控制指令的執(zhí)行。CPU在處理指令時，一般需要經(jīng)過以下幾個階段：

(1) 取指令：根據(jù)PC中的指令地址，從存儲器中取出一條指令，同時PC根據(jù)指令字長度自動遞增產(chǎn)生下一條指令的指令地址。(2)指令譯碼：對指令進行分析并譯碼，確定這條指令需要完成的操作。(3)指令執(zhí)行：根據(jù)指令譯碼得到的操作控制信號，具體地執(zhí)行指令動作。(4)存儲器訪問：所有需要訪問存儲器的操作都將在此步驟執(zhí)行，該步驟給出存儲器的數(shù)據(jù)地址，把數(shù)據(jù)寫入到存儲器中數(shù)據(jù)地址所指定的存儲單元或取出。(5)結(jié)果寫回：指令執(zhí)行的結(jié)果或者訪問存儲器中得到的數(shù)據(jù)寫回相應(yīng)的目的寄存器中。

2 總體設(shè)計

2.1 指令類型、格式

表1 指令格式（每種類型以一條指令為例）

op：操作碼；rs：只讀寄存器；rt：可讀可寫，目的操作數(shù)寄存器；rd：只寫寄存器；sa：位移量；funct：功能碼；immediate：16位立即數(shù)，用作操作數(shù)、數(shù)據(jù)加載(load)/數(shù)據(jù)保存（store）指令的數(shù)據(jù)地址字節(jié)偏移量和分支指令中相對程序計數(shù)器的有符號偏移量；address：地址。

2.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖2 各指令執(zhí)行的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

首先為每個狀態(tài)定義一個參數(shù)，例如定義IF為000，ID為001等。對于EXE狀態(tài)，由于分支指令，存取指令和其他指令經(jīng)過的指令執(zhí)行階段各不相同，故定義了aEXE，bEXE，cEXE三個狀態(tài)；對于WB狀態(tài)，由于sw和lw經(jīng)過的指令執(zhí)行階段不相同，故定義了aWB，cWB兩個狀態(tài)。當(dāng)輸入NextState的狀態(tài)碼與操作碼發(fā)生改變時，使用case產(chǎn)生下一狀態(tài)，對case的設(shè)計如下：（1）由于所有指令都需要經(jīng)過IF-ID階段，所以IF的nextState一定是ID。（2）對于ID階段，有四條分叉的支路：對于j，jal，jr，halt指令，它們直接跳轉(zhuǎn)，不需要經(jīng)過后面的狀態(tài)則nextStste為IF；其它指令的nextState是EXE。當(dāng)指令是sw、lw指令時，指令的nextState為cEXE；當(dāng)指令是beq指令時，指令的nextState為bEXE；剩余的指令nextState為aEXE。（3）對于aEXE，各種運算指令的結(jié)果無需寫回存儲器，故nextState為aWB；對于bEXE，分支指令的nextState為IF；對于cEXE，由于是存取指令，需要經(jīng)過存儲區(qū)，故nextState自然為MEM。（4）對于MEM，如果是lw指令，則要將結(jié)果寫回寄存器，那么nextState為cWB；如果是sw指令，則無需寫回，那么nextState為IF。（5）aWB與cWB的nextState都為IF。

2.3 主要功能部件描述

(1）PC

根據(jù)控制信號PCSrc，計算獲得下一個PC以及控制信號RST重置。根據(jù)復(fù)位信號RST、PC寫使能信號PCWre決定輸出的pc值。與PC相關(guān)的部件還有PCAddFour：獲取順序存儲的下一個地址；PCJump：獲取子程序地址；PCAddImm：獲取跳轉(zhuǎn)后的地址。

(2）指令存儲器

定義8位的寄存器數(shù)組，將指令的32位二進制數(shù)分割成4個8位的小段并順序存儲在數(shù)組中。

(3）寄存器堆

根據(jù)指令中的rs，rt到對應(yīng)寄存器堆中獲取數(shù)據(jù)，得到要讀的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)rd將輸入的數(shù)據(jù)存到對應(yīng)的寄存器中。

(4）算術(shù)邏輯單元

在輸入A、輸入B以及ALU控制信號ALUOp發(fā)生變化時，使用case并根據(jù)ALUOp的值執(zhí)行對應(yīng)的操作得到計算的結(jié)果。

(5）數(shù)據(jù)存儲器

定義8位的寄存器數(shù)組，將32位的數(shù)據(jù)分割成4個8位的小段進行存取。寫與讀操作的單位是8位二進制數(shù)，—共操作四次。大端方式存儲。

(6）數(shù)據(jù)選擇器

二選一數(shù)據(jù)選擇器用于選擇ALU的A操作數(shù)，B操作數(shù)；選擇存入寄存器的數(shù)和選擇寫入寄存器的數(shù)；三選一數(shù)據(jù)選擇器選擇要寫入數(shù)據(jù)的目的寄存器是rt，rd還是31號寄存器；四選一數(shù)據(jù)選擇器用于選擇下一條指令的地址。

(7）控制單元

控制單元由三個模塊封裝組成。分別實現(xiàn)當(dāng)時鐘上升沿到來時進行狀態(tài)切換；產(chǎn)生下一階段；根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和操作碼產(chǎn)生各部件的控制信號三種功能。

(8）其他

臨時寄存器ADR，BDR，ALUtoDR，DBDR在時鐘信號觸發(fā)下將寄存器中的內(nèi)容輸出；指令寄存器IR用于存放正在執(zhí)行的指令代碼。

3 測試仿真

以指令add $3,$2,$1 （指令編碼為000000 0 0 0 1 0 00001 0001100000000000）為例。

4 結(jié)語

與單周期CPU設(shè)計相比，多周期CPU的數(shù)據(jù)通路上發(fā)生了一些較為明顯的變化。增加了一定數(shù)量的臨時寄存器存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這是由多周期指令特性決定的。同時，多周期cpu的設(shè)計運用了有限狀態(tài)機的思想，每個指令在不同的時鐘周期里，其控制信號完全不同，所以需要狀態(tài)機來控制狀態(tài)，并且根據(jù)不同指令的不同狀態(tài)來決定控制信號的輸出，這在單周期cpu里是沒有體現(xiàn)的。所以多周期CPU具有時鐘周期短、各功能部件可共享的優(yōu)點，它既符合現(xiàn)代CPU的真實設(shè)計，又是流水線CPU設(shè)計的基礎(chǔ)。最后通過軟件仿真驗證，來證實所設(shè)計的CPU的正確性，可以看到所設(shè)計的CPU具有實用性。