自己写CPU第四阶段（2）——验证该第一指令ori实现效果

我们会继续上传新书《自己写CPU》（未公布），今天是12片，四篇

书名又之前的《自己动手写处理器》改为《自己动手写CPU》

4.3 验证OpenMIPS实现效果

4.3.1指令存储器ROM的实现

本节将验证我们的OpenMIPS是否实现正确，包括：流水线是否正确、ori指令是否实现正确。在验证之前，须要首先实现指令存储器，以便OpenMIPS从中读取指令。

指令存储器模块是仅仅读的。其接口如图4-7所看到的，还是採用左边是输入接口，右边是输出接口的方式绘制。这样便于理解。

接口含义如表4-12所看到的。

指令存储器ROM模块在文件inst_rom.v中实现，代码例如以下，能够在本书附带光盘的Code\Chapter4\文件夹下找到源文件。

module inst_rom(

	input wire			ce,
	input wire[`InstAddrBus]	addr,
	output reg[`InstBus]		inst

);
       // 定义一个数组，大小是InstMemNum，元素宽度是InstBus
	reg[`InstBus]  inst_mem[0:`InstMemNum-1];

       // 使用文件inst_rom.data初始化指令存储器
	initial $readmemh ( "inst_rom.data", inst_mem );

       // 当复位信号无效时，根据输入的地址。给出指令存储器ROM中相应的元素
	always @ (*) begin
	  if (ce == `ChipDisable) begin
	    inst <= `ZeroWord;
	  end else begin
	    inst <= inst_mem[addr[`InstMemNumLog2+1:2]];
	  end
	end

endmodule

代码非常好理解，有下面几点说明。

（1）在初始化指令存储器时，使用了initial过程语句。

initial过程语句仅仅运行一次，通经常使用于仿真模块中对激励向量的描写叙述，或用于给变量赋初值，是面向模拟仿真的过程语句。通常不能被综合工具支持。所以假设要将本章实现的OpenMIPS处理器使用综合工具进行综合，那么须要改动这里初始化指令存储器的方法。

（2）在初始化指令存储器时，使用了系统函数$readmemh，表示从inst_rom.data文件里读取数据以初始化inst_mem，而inst_mem正是之前定义的数组。inst_rom.data是一个文本文件。里面存储的是指令。其每行存储一条32位宽度的指令（使用十六进制表示），系统函数$readmemh会将inst_rom.data中的数据依次填写到inst_mem数组中。

（3）OpenMIPS是依照字节寻址的。而此处定义的指令存储器的每一个地址是一个32bit的字，所以要将OpenMIPS给出的指令地址除以4再使用。比方：要读取地址0xC处的指令，那么实际就是相应ROM的inst_mem[3]，如图4-8所看到的。

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除以4也就是将指令地址右移2位。所以在读取的时候给出的地址是addr[`InstMemNumLog2+1:2]。当中InstMemNumLog2是指令存储器的实际地址宽度，比方：假设inst_mem有1024个元素，那么InstMemNum等于1024。InstMemNumLog2等于10。表示实际地址宽度为10。

4.3.2 最小SOPC的实现

为了验证。须要建立一个SOPC，当中仅包括OpenMIPS、指令存储器ROM，所以是一个最小SOPC。OpenMIPS从指令存储器中读取指令，指令进入OpenMIPS開始运行。

最小SOPC的结构如图4-9所看到的。

最小SOPC相应的模块是openmips_min_sopc。位于文件openmips_min_sopc.v中，读者能够在本书附带光盘的Code\Chapter4\文件夹下找到该文件。主要内容例如以下。

在当中例化了处理器OpenMIPS、指令存储器ROM，并将两者依照图4-9的方式连接。

module openmips_min_sopc(

	input	wire		clk,
	input  wire		rst

);

  	// 连接指令存储器
  	wire[`InstAddrBus] inst_addr;
  	wire[`InstBus]     inst;
       wire               rom_ce;

       // 例化处理器OpenMIPS
 	openmips openmips0(
                 .clk(clk),			.rst(rst),
                 .rom_addr_o(inst_addr),	.rom_data_i(inst),
                 .rom_ce(rom_ce)
	);

       // 例化指令存储器ROM
	inst_rom inst_rom0(
		.ce(rom_ce),
		.addr(inst_addr),		.inst(inst)
	);

endmodule

4.3.3 编写測试程序

我们须要写一段測试程序，并将其存储到指令存储器ROM，这样当上一节建立的最小SOPC開始执行的时候，就会从ROM中取出我们的程序，送入OpenMIPS处理器执行。因为眼下的OpenMIPS仅仅实现了一条ori指令。所以測试程序非常easy，例如以下，相应本书附带光盘Code\Chapter4\TestAsm文件夹下的inst_rom.S文件。

  ori $1,$0,0x1100        # $1 = $0 | 0x1100 = 0x1100
  ori $2,$0,0x0020        # $2 = $0 | 0x0020 = 0x0020
  ori $3,$0,0xff00        # $3 = $0 | 0xff00 = 0xff00
  ori $4,$0,0xffff        # $4 = $0 | 0xffff = 0xffff

共同拥有4条指令。都是ori指令。

第1条指令将0x1100进行零扩展后与寄存器$0进行逻辑“或”运算。结果保存在寄存器$1中。

第2条指令将0x0020进行零扩展后与寄存器$0进行逻辑“或”运算，结果保存在寄存器$2中。

第3条指令将0xff00进行零扩展后与寄存器$0进行逻辑“或”运算，结果保存在寄存器$3中。

第4条指令将0xffff进行零扩展后与寄存器$0进行逻辑“或”运算，结果保存在寄存器$4中。

指令的凝视说明了指令的运行结果。接下来，依照正常的顺序应该是使用编译器编译我们的測试程序。但因为GCC编译器的安装、使用、Makefile文件的制作等内容还须要不少篇幅解说，而想必各位读者和笔者一样。急切地想知道OpenMIPS是否实现正确，所以本节採用手工编译的方式编译測试程序，4.4节将专题介绍GCC编译器的使用。

手工编译仅仅需依照指令内容填充进图4-1所看到的的ori指令格式中，就可以得到相应的二进制字，比方：对于指令ori $1,$0,0x1100。相应的二进制字如图4-10所看到的。

转化为十六进制即0x34011100，其余3条指令依照相同的方式能够得到相应的二进制字，依照$readmemh函数的要求。一行放一条指令。得到測试程序相应的isnt_rom.data文件例如以下，可在本书附带光盘的Code\Chapter4\TestAsm文件夹下找到同名文件。

34011100
34020020
3403ff00
3404ffff

4.3.4 建立Test Bench文件

本小节将建立Test Bench文件，当中给出最小SOPC执行所需的时钟信号、复位信号。代码例如以下，相应本书附带光盘Code\Chapter4\文件夹下的openmips_min_sopc_tb.v文件。

// 时间单位是1ns，精度是1ps
`timescale 1ns/1ps

module openmips_min_sopc_tb();

  reg     CLOCK_50;
  reg     rst;

  // 每隔10ns。CLOCK_50信号翻转一次。所以一个周期是20ns。相应50MHz
  initial begin
    CLOCK_50 = 1'b0;
    forever #10 CLOCK_50 = ~CLOCK_50;
  end

  // 最初时刻。复位信号有效，在第195ns，复位信号无效，最小SOPC開始执行
  // 执行1000ns后，暂停仿真
  initial begin
    rst = `RstEnable;
    #195 rst= `RstDisable;
    #1000 $stop;
  end

  // 例化最小SOPC
  openmips_min_sopc openmips_min_sopc0(
		.clk(CLOCK_50),
		.rst(rst)
	);

endmodule

4.3.5使用ModelSim检验OpenMIPS实现效果

万事俱备，仅仅欠东风了，本节是验证前的最后一步——建立ModelSimproject，进行仿真。參考第2章的介绍，新建一个ModelSimproject，project名能够为openmips_min_sopc。将上文创建的OpenMIPS全部源文件、Test Bench文件、指令存储器的源文件等（也就是本书附带光盘Code\Chapter4文件夹下全部.v文件）加入到project中。然后编译。

注意：还须要将上一小克制作的inst_rom.data文件拷贝到project文件夹下。

编译通过后。将workspace切换到Library选项卡，打开work这个library，选中openmips_min_sopc_tb，右键点击。选择Simulate，如图4-11所看到的。

在出现的波形显示界面中，加入要观察的信号，就可以開始仿真。此处我们选择寄存器$1-$4作为观察对象，如图4-12所看到的。通过观察寄存器$1-$4的终于值，可知OpenMIPS正确运行了測试程序，也就是正确实现了ori指令。

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加入很多其他要观察的信号，能够了解流水线运行情况。如图4-13所看到的。

为了使流水线情况显示的更加直观。此处以第一条指令在流水线中的运行过程为例。而且图中去掉了其他指令运行时引起的信号变化。

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（1）在复位结束后的第一个时钟周期上升沿，rom_ce_o变为ChipEnable。表示指令存储器使能。開始取指。进入取指阶段，从指令存储器中取出第一条指令0x34011100。赋给IF/ID模块的输入portif_inst。下一个时钟周期，第一条指令进入译码阶段。

（2）观察译码阶段。

• 此时译码阶段的指令id_inst正是第一条指令0x34011100
• 指令地址id_pc是0x00000000
• 在ID模块对指令进行译码。得到指令运算类型alusel_o是3'b001。查询defines.h文件里的宏定义可知。相应宏EXE_RES_LOGIC，表示是逻辑运算
• 得到运算子类型aluop_o是8'b00100101，查询defines.h文件里的宏定义可知，相应宏EXE_OR_OP。表示逻辑“或”运算
• 译码得到參与运算的源操作数1是0x00000000。正是$0寄存器的值
• 译码得到參与运算的源操作数2是0x00001100。正是指令中马上数零扩展后的值
• 译码得到wreg_o的值为1，表示要写目的寄存器
• 译码得到要写入的目的寄存器wd_o是5'b00001。正是$1寄存器

（3）观察运行阶段。

• 进行指定的运算。得到wdata_o为0x00001100，就是要写到目的寄存器的数据
• 传递译码阶段wreg_o的值，为1，表示要写目的寄存器
• 传递译码阶段wd_o的值。为5'b00001。表示要写入的目的寄存器是$1寄存器

（4）观察訪存阶段

• 传递运行阶段wdata_o的值，为0x00001100，表示要写到目的寄存器的数据
• 传递运行阶段wreg_o的值。为1，表示要写目的寄存器
• 传递运行阶段wd_o的值。为5'b00001，表示要写入的目的寄存器是$1寄存器

（5）观察回写阶段

• 得到訪存阶段wdata_o的值，为0x00001100，表示要写到目的寄存器的数据
• 得到訪存阶段wreg_o的值，为1。表示要写目的寄存器
• 得到訪存阶段wd_o的值，为5'b00001。表示要写入的目的寄存器是$1寄存器

在回写阶段的最后，将依照要求写目的寄存器$1，使得$1的值为0x00001100。

通过上面的观察。可知原始的OpenMIPS五级流水线实现正确。接下来。我们就能够以此为基础，不断充实，加入实现很多其它的MIPS指令，只是，在此之前，我们要先学习使用GNU工具链。本节的样例仅仅有4条指令，能够手工编译，以后会遇到比較复杂。拥有较多指令的程序。届时，手工编译就显得效率低下了，所以要使用GNU工具链。

待续！

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