系列文章 : 使用 Verilog 實作 in-order CPU

execute-stage

execute stage 負責

• 計算出 branch 發生的話，要跳到的位址
• 使用 ALU 進行計算

在 execute-stage，會用到

• Shift_Left_Two_32
• Mux_4to1
• Mux_2to1
• Full_Adder_32
• ALU_Ctrl
• ALU
• Pipeline_Reg_EX_MEM

相關程式碼

• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-mips/blob/main/misc/shift_left_two_32.v
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-mips/blob/main/mux/mux_2to1.v
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-mips/blob/main/mux/mux_4to1.v
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-mips/blob/main/adder/full_adder.v
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-mips/blob/main/misc/alu_ctrl.v
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-mips/blob/main/misc/alu.v
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-mips/blob/main/pipeline/execute.v
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-mips/blob/main/cpu.v

Shift_Left_Two_32 shift_left

會把輸入的值左移 2 位 ( 乘以 4 )。
假如 instruction 是 branch 指令，且 imm 表示的是 pc 值的偏移量的時候。

• 當 imm 是 1，實際上 pc 值會偏移 4
• 當 imm 是 4，實際上 pc 值會偏移 16

簡單來說，就是需要乘以 4。

Mux_4to1 #(.size(32)) forward_regfile_1

這個 mux 是要選擇 regfile 是要用

• decode-stage 傳來的 regfile 值
• mem-stage forward 來的 regfile 值
• wb-stage forward 來的 regfile 值

而要選擇哪一個值，則是仰賴 forwarding unit 傳來的 forward_1_i 訊號來決定

Mux_2to1 #(.size(32)) mux_alusrc

ALU 進行計算的時候，會有兩個 source

• 第一個 source 永遠都會是 instruction format 裡的 rs 所指向的 reg-file 值。
• 第二個 source 可能是 rt 所指向的 reg-file 值，或是 instruction format 裡的 imm[15:0]

這個 mux 就是在選擇，這次 ALU 的第二個參數是

• reg-file 值
• imm

Mux_2to1 #(.size(5)) mux_regdst

這邊是要選擇，假如我們需要對 reg-file 進行寫入的話，該寫入哪一個 regfile

• 寫入到 rt 所指向的 regfile
• 寫入到 rd 所指向的 regfile

Full_Adder_32 branch_adder

假如目前執行到了 branch 指令的話，我們可能會需要替 (pc + 4)，再加上 branch 的偏移量。
這個 full adder 就是來計算 branch 的偏移量。

ALU_Ctrl alu_ctrl

把 input 的訊號，轉換成交給 alu 的控制訊號

• funct_i : instruction format 的 funct_i[5:0] 欄位。
• ALUOp_i : instruction fomat 的 ALUOp_i[31:26] 欄位

舉幾個簡單的例子

• add 指令
  • ALUOp_i 是 6b’000000
  • funct_i 是 6b’100000
  • 我希望做的是src_1_i + src_2_i
  • 那我的 output [3:0] ALUCtrl_o 會希望是 4b’0010
• slt 指令
  • ALUOp_i 是 6b’000000
  • funct_i 是 6b’101010
  • 我希望做的是 src_1_i < src_2_i
  • 那我的 output [3:0] ALUCtrl_o 會希望是 4b’0111
• sub 指令
  • ALUOp_i 是 6b’000000
  • funct_i 是 6b’100010
  • 我希望做的事 src_1_i - src_2_i
  • 那我的 output [3:0] ALUCtrl_o 會希望是 4b’0101

ALU alu

接受來自 ALU_Ctrl 的訊號，並對 src1, src2 做出相對應的操作。

• result_o : 計算的結果
• zero_o : 計算的結果是否為 0

Pipeline_Reg_EX_MEM pipeline_reg_ex_mem

• regfile_2_o
  • 這個 instruction 的 rt 該是什麼值。
  • mem-stage 會需要 rt，對 mem-stage 來說，rt 可能是需要存入 data-memory 的 value。例如說 lw $rt, offset($rs)。
• decoder_signals_o
  • 這個 instruction 的一些控制訊號
• regdst_o
  • 假如這個 instruction 會對 reg-file 進行寫入的話，regdst 是需要被寫入的 reg-file 的位址
• branch_adder_o
  • 假如這個 instruction 是一個 branch，這個值是發生 branch 後要跳去的位址。
• alu_result_o
  • 對 mem-stage 來說，alu_result ( rs + imm ) 可能是需要存入 data-memory 的 address。
  • 對 mem-stage 來說，會需要 alu_result 來判斷說要不要 branch
• alu_zero_o
  • mem-stage 會需要 alu_zero_o 來判斷說要不要 branch