自己动手写CPU之第五阶段（2）OpenMIPS对数据相关问题的解决

将陆续上传本人写的新书《自己动手写CPU》（尚未出版），今天是第16篇，我尽量每周四篇 5.2OpenMIPS 对数据相关问题的解决措施 OpenMIPS 处理器采用数据前推的方法来解决流水线数据相关问题。通过补充完善图 4-4 原始的数据流图，添加部分信号使得可以完成数

将陆续上传本人写的新书《自己动手写CPU》（尚未出版），今天是第16篇，我尽量每周四篇

5.2 OpenMIPS对数据相关问题的解决措施

OpenMIPS处理器采用数据前推的方法来解决流水线数据相关问题。通过补充完善图4-4原始的数据流图，添加部分信号使得可以完成数据前推的工作，如图5-7所示。主要是将执行阶段的结果、访存阶段的结果前推到译码阶段，参与译码阶段选择运算源操作数的过程。

图5-8给出了为实现数据前推而对OpenMIPS系统结构所做的修改。有两个方面。

（1）将处于流水线执行阶段的指令的运算结果，包括：是否要写目的寄存器wreg_o、要写的目的寄存器地址wd_o、要写入目的寄存器的数据wdata_o等信息送到译码阶段，如图5-8中虚线所示。

（2）将处于流水线访存阶段的指令的运算结果，包括：是否要写目的寄存器wreg_o、要写的目的寄存器地址wd_o、要写入目的寄存器的数据wdata_o等信息送到译码阶段。

为此，译码阶段的ID模块要增加如表5-1所示的接口。

译码阶段的ID模块会依据送入的信息，进行综合判断，解决数据相关，给出最后要参与运算的操作数。ID模块的代码要做如下修改，其中主要修改部分使用加粗、斜体表示。修改后的代码位于本书光盘的Code\Chapter5_1目录下的id.v文件。

module id(

	......

	//处于执行阶段的指令的运算结果
	input wire			   ex_wreg_i,
	input wire[`RegBus]		   ex_wdata_i,
	input wire[`RegAddrBus]       ex_wd_i,
	
	//处于访存阶段的指令的运算结果
	input wire		          mem_wreg_i,
	input wire[`RegBus]           mem_wdata_i,
	input wire[`RegAddrBus]       mem_wd_i,
	
...... 	      
	
	//送到执行阶段的源操作数1、源操作数2
	output reg[`RegBus]           reg1_o,
	output reg[`RegBus]           reg2_o,
	......
);

       ......

       //给reg1_o赋值的过程增加了两种情况：
       //1、如果Regfile模块读端口1要读取的寄存器就是执行阶段要写的目的寄存器，
       //   那么直接把执行阶段的结果ex_wdata_i作为reg1_o的值;
       //2、如果Regfile模块读端口1要读取的寄存器就是访存阶段要写的目的寄存器，
       //   那么直接把访存阶段的结果mem_wdata_i作为reg1_o的值;
    	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

       //给reg2_o赋值的过程增加了两种情况：
       //1、如果Regfile模块读端口2要读取的寄存器就是执行阶段要写的目的寄存器，
       //   那么直接把执行阶段的结果ex_wdata_i作为reg2_o的值;
       //2、如果Regfile模块读端口2要读取的寄存器就是访存阶段要写的目的寄存器，
       //   那么直接把访存阶段的结果mem_wdata_i作为reg2_o的值;
	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

endmodule

除了修改译码阶段ID模块的代码，还要修改顶层模块OpenMIPS对应的代码，在其中增加图5-8所示的连接关系。具体修改过程不在书中列出，读者可以参考本书附带光盘的Code\Chapter5_1目录下的openmips.v文件。(代码会在稍后上传)

5.3 测试数据相关问题解决效果

测试程序如下，其中存在5.1节讨论的RAW相关的三种情况，源文件是本书附带光盘Code\Chapter5_1\AsmTest目录下的inst_rom.S文件。

.org 0x0
.global _start
.set noat
_start:
   ori $1,$0,0x1100        # $1 = $0 | 0x1100 = 0x1100
   ori $1,$1,0x0020        # $1 = $1 | 0x0020 = 0x1120
   ori $1,$1,0x4400        # $1 = $1 | 0x4400 = 0x5520
   ori $1,$1,0x0044        # $1 = $1 | 0x0044 = 0x5564

指令的注释给出了预期执行效果。将上述inst_rom.S文件，与第4章实现的Bin2Mem.exe、Makefile、ram.ld这三个文件拷贝到Ubuntu虚拟机中的同一个目录下，打开终端，使用cd命令进入该目录，然后输入make all，即可得到能够用于ModelSim仿真的inst_rom.data文件。

在ModelSim中新建一个工程，添加本书附带光盘Code\Chapter5_1目录下的所有.v文件，然后可以编译。再复制上面得到的inst_rom.data文件到ModelSim工程的目录下，就可以进行仿真了。ModelSim中新建工程、仿真的详细步骤可以参考第2章。

运行仿真，观察寄存器$1值的变化，如图5-9所示，$1的变化符合预期，所以修改后的OpenMIPS正确解决了数据相关问题。