系列文章 : 使用 Verilog 實作 in-order CPU

mem-stage

mem-stage 負責

• 決定是否該進行 branch，並且將這個結果傳遞到 fetch-stage 以及 hazard detection
• 對 data-memory 進行讀寫。

在 mem-stage 會用到

• Mux_4to1
• and gate
• Data_Memory
• Pipeline_Reg_MEM_WB

相關程式碼

• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-mips/blob/main/pipeline/mem.v
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-mips/blob/main/mux/mux_4to1.v
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-mips/blob/main/misc/data_memory.v
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-mips/blob/main/pipeline_reg/pipeline_reg_mem_wb.v

Mux_4to1 #(.size(1)) mux_branch_type

d_branch_type_i 這個訊號代表了目前我們是使用哪一種 branch。

• 0 : branch equal ( beq )
  • 兩值相減等於 0, 代表相同
  • alu_zero_i : 在 ALU 的時候，兩值相減得出是 0
• 1 : branch greater than ( bgt )
  • 兩值相減後為正整數 ( 不可為 0 )
  • (~alu_result_i[31] & ~alu_zero_i) : 在 ALU 的時候，兩值相減後為正整數，且不為 0。
• 2 : branch greater than or equal ( bge )
  • 兩值相減後不為負數 ( 可為 0 )
  • ~alu_result_i[31] : 在 ALU 的時候，兩值相減 sign bit 為 0，代表結果為正整數。
• 3 : branch not equal ( bne )
  • 兩值相減不等於 0
  • ~alu_zero_i : 在 ALU 的時候，兩值相減不為 0，所以 alu_zero_i == 0。

and branch_and

• d_branch_i
  • 這個 instruction 是否為 branch instruction
• mux_branch_type_o
  • 這個 instruction 是否符合 branch 的條件

最後 branch_and_o 為 true 的話，表示這個 instruction 確定是 branch 且要跳的了。

Data_Memory data_mem

• alu_result_i
  • 在 alu，會用 rs 跟 imm 計算出要放入 data-memory 的哪個位址 ( 也就是 address )
• regfile_2_i
  • 想要放進 data-memory 的值 ( value )
• d_memread_i
  • 從 decoder 那邊解析出的控制訊號，當為 true 的時候，就代表我們需要從 data-memory 讀取出資料。
• d_memwrite_i
  • 從 decoder 那邊解析出的控制訊號，當為 true 的時候，就代表我們需要對 data-memory 寫入資料。
• data_mem_o
  • 從 data-memory 讀出的資料。

Pipeline_Reg_MEM_WB pipeline_reg_mem_wb

• Pipeline_Reg #(.size(1)) d_memtoreg
  • 從 decoder 那邊解析出來的控制訊號
  • 0 : 將 ALU 的結果存入 reg-file
  • 1 : 將 data-memory 的結果存入 reg-file
• Pipeline_Reg #(.size(1)) d_regwrite
  • 從 decoder 那邊解析出來的控制訊號
  • 0 : 不需要對 reg-file 進行寫入
  • 1 : 需要對 reg-file 進行寫入
• Pipeline_Reg #(.size(5)) regdst
  • 假如我們需要對 reg-file 進行寫入，regdst 代表寫入的位址 ( address )。因為 reg-file 裡面總共有 32 個 register，所以這個 address 的寬度為 5 ( 2 ** 5 = 32 )。
• Pipeline_Reg #(.size(32)) data_mem
  • 從 data-memory 讀取出來的資料
• Pipeline_Reg #(.size(32)) alu_result
  • ALU 計算完的結果。