mirror of
https://github.com/MPSU/APS.git
synced 2025-09-15 17:20:10 +00:00
ЛР5. Обновление методички
Добавлена поддержка инструкций CSR + mret, чтобы в последствии не возвращаться к этому модулю.
This commit is contained in:
Andrei Solodovnikov
@@ -37,7 +37,9 @@
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
*Таблица 1. Базовый набор инструкций из [спецификации RISC-V](https://github.com/riscv/riscv-isa-manual/releases/download/Ratified-IMAFDQC/riscv-spec-20191213.pdf) (стр. 130)*
|
||||
*Таблица 1. Базовый набор инструкций из [спецификации RISC-V](https://github.com/riscv/riscv-isa-manual/releases/download/Ratified-IMAFDQC/riscv-spec-20191213.pdf) (стр. 130), Стандартное расширение Zicsr(стр. 131), а так же привилегированная инструкция mret([спецификация привилегированной архитектуры RISC-V](https://github.com/riscv/riscv-isa-manual/releases/download/riscv-isa-release-1239329-2023-05-23/riscv-privileged.pdf), стр. 144)*
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
| Кодирование | Описание |
|
||||
|-------------|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|
||||
@@ -50,13 +52,28 @@
|
||||
|
||||
*Таблица 2. Описание типов форматов кодирования инструкций ISA RISC-V*
|
||||
|
||||
### Неподдерживаемые инструкции
|
||||
### SYSTEM-инструкции
|
||||
|
||||
В базовом наборе инструкций **RISC-V** к операциям `SYSTEM` относятся `ECALL` и `EBREAK`, к операциям `MISC-MEM` – операция `FENCE`. В реализуемом процессорном ядре эти инструкции не должны приводить ни к каким изменениям. Иначе говоря, они должны быть реализованы как инструкция `NOP` (**no operation**).
|
||||
Инструкция `FENCE` в **RISC-V** необходима при работе с несколькими аппаратными потоками, или хартами (hart – «hardware thread»). В **RISC-V** используется расслабленная модель памяти (**relaxed memory model**): потоки «видят» все инструкции чтения и записи, которые исполняются другими потоками, однако видимый порядок этих инструкций может отличаться от реального. Инструкция `FENCE`, использованная между двумя инструкциями чтения и/или записи гарантирует, что остальные потоки увидят первую инструкцию перед второй. Реализация `FENCE` является опциональной в **RISC-V** и в данном случае в ней нет необходимости, так как в системе не предполагается наличия нескольких аппаратных потоков.
|
||||
Инструкции `ECALL` и `EBREAK` должны вызывать исключение с последующим переходом в обработчик исключения (вызова операционной системы и перехода в привилегированный режим работы). Помимо этого, их вызов должен обновить содержимое некоторых управляющих регистров (**Control & Status Registers** – **CSR**). На текущий момент эти инструкции не будут использоваться, а потому могут быть реализованы как `NOP`.
|
||||
SYSTEM-инструкции используются для доступа к системным функциям и могут требовать привилегированный доступ. Данные инструкции могут быть разделены на два класса:
|
||||
|
||||
Список инструкций с указанием их типов и функциональным назначением:
|
||||
- Обращение к регистрам статуса и контроля (**CSR**)
|
||||
- Все остальные инструкции (возможно из набора привилегированных инструкций)
|
||||
|
||||
Для будущей поддержки прерываний, нам потребуется декодировать инструкции обоих классов.
|
||||
|
||||
Обращение к регистрам статуса и контроля осуществляется шестью инструкциями стандартного расширения `Zicsr`. Каждая из этих инструкций (если у нее легальные поля) осуществляет запись в CS-регистры и регистровый файл.
|
||||
|
||||
Кроме того, для возврата управления основному потоку инструкций, нужна дополнительная `SYSTEM`-инструкция привилегированного набора команд `MRET`.
|
||||
|
||||
Единственное что нужно сделать при появлении этой инструкции — это сформировать единицу на одноименном выходе.
|
||||
|
||||
Перечисленные выше инструкции являются "дополнительными" — их намеренно их добавили сверх стандартного набора инструкций, чтобы обеспечить требуемый нашей системе функционал. Однако осталось ещё две SYSTEM-инструкции, которые мы должны уметь декодировать, поскольку они есть в стандартном наборе инструкций.
|
||||
|
||||
Инструкции `ECALL` и `EBREAK` должны вызывать исключение. Единственное исключение, которое будет поддерживаться нашей системой, это исключение через сигнал `illegal_instr_o`, поэтому в рамках данного цикла лабораторных работ вам предлагается выставлять `illegal_instr_o == 1`, когда приходят эти инструкции (что довольно легко описать, ведь получается что если SYSTEM-инструкция не является `MRET` либо инструкцией из набора `Zicsr`, то это либо нелегальная инструкция, либо `ECALL` / `EBREAK`, которые ведут себя точно так же как и нелегальная инструкция).
|
||||
|
||||
### MISC-MEM инструкция
|
||||
|
||||
В базовом наборе инструкций **RISC-V** к `MISC-MEM`-операции относится инструкция `FENCE`. В реализуемом процессорном ядре эта инструкция не должны приводить ни к каким изменениям. Инструкция `FENCE` в **RISC-V** необходима при работе с несколькими аппаратными потоками, или хартами (hart – «hardware thread»). В **RISC-V** используется расслабленная модель памяти (**relaxed memory model**): потоки «видят» все инструкции чтения и записи, которые исполняются другими потоками, однако видимый порядок этих инструкций может отличаться от реального. Инструкция `FENCE`, использованная между двумя инструкциями чтения и/или записи гарантирует, что остальные потоки увидят первую инструкцию перед второй. Реализация `FENCE` является опциональной в **RISC-V** и в данном случае в ней нет необходимости, так как в системе не предполагается наличия нескольких аппаратных потоков. Данная инструкция должна быть реализована как `NOP` (no operation).
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -70,11 +87,11 @@
|
||||
|
||||
Приведенная архитектура не является заданием для текущей лабораторной работы, лишь отражает то, как в дальнейшем будет подключаться и использоваться реализуемый в данной лабораторной основной дешифратор.
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
Предложенная микроархитектура процессора `CYBERcobra 3000 Pro 2.0` из прошлой лабораторной имеет схожую структуру, с некоторыми изменениями.
|
||||
|
||||
В первую очередь изменились входы и выходы процессора:
|
||||
В первую очередь изменились входы и выходы процессора (помимо появления двух непонятных модулей):
|
||||
|
||||
- память инструкций вынесена наружу процессора, таким образом, у процессора появляются входы и выходы: `instr_addr_o` и `instr_i`;
|
||||
- помимо прочего, у модуля появились сигналы интерфейса памяти данных:
|
||||
@@ -88,7 +105,7 @@
|
||||
|
||||
Так же добавились источники операндов АЛУ: программный счетчик, множество констант из инструкций и микроархитектурных констант. Выбор нужных операндов для АЛУ осуществляется с помощью двух мультиплексоров, управляемых сигналами декодера `src_a_op_sel_o` и `src_b_op_sel_o` (для краткости на схеме обозначены как `src_a_sel` и `src_b_sel`).
|
||||
|
||||
Изменилось и число источников записи в регистровый файл: их осталось два: результат операции на АЛУ и данные, считанные с внешней памяти. Выборка осуществляется сигналом декодера `wb_sel_o`.
|
||||
Изменилось и число источников записи в регистровый файл: их стало 3: результат операции на АЛУ, данные, считанные с внешней памяти и данные из модуля регистров статуса и контроля. Выборка осуществляется сигналом декодера `wb_sel_o`.
|
||||
|
||||
### Интерфейс памяти
|
||||
|
||||
@@ -119,7 +136,7 @@
|
||||
|
||||
Несмотря на то, что для записи во внешнюю память ключевыми сигналами будут описанные выше, это не означает, что остальные выходные сигналы декодера могут быть абы какими.
|
||||
|
||||
Поскольку операция `lw` не является операцией перехода, сигналы `jal_o`, `jalr_o` и `branch_o` должны быть равны нулю (иначе процессор совершит переход, а инструкция `lw` этого не подразумевает). Точно так же, поскольку во время записи во внешнюю память, в регистровый файл не должно быть ничего записано, сигнал `gpr_we_o` так же должен быть равен нулю.
|
||||
Поскольку операция `lw` не является операцией перехода, сигналы `jal_o`, `jalr_o` и `branch_o` должны быть равны нулю (иначе процессор совершит переход, а инструкция `lw` этого не подразумевает). Точно так же, поскольку во время записи во внешнюю память, в регистровый файл не должно быть ничего записано, сигналы `gpr_we_o` и `csr_we_o` так же должны быть равны нулю.
|
||||
|
||||
А вот сигнал `wb_sel` может принять любое значение (поскольку сигнал разрешения записи в регистровый файл равен нулю, не важно, каким будет источник данных для записи в регистровый файл, т.к. в него все равно ничего не будет записано).
|
||||
|
||||
@@ -131,6 +148,8 @@
|
||||
|a_sel_o |Управляющий сигнал мультиплексора для выбора первого операнда АЛУ |
|
||||
|b_sel_o |Управляющий сигнал мультиплексора для выбора второго операнда АЛУ |
|
||||
|alu_op_o |Операция АЛУ |
|
||||
|csr_op_o |Операция модуля CSR |
|
||||
|csr_we_o |Разрешение на запись в CSR |
|
||||
|mem_req_o |Запрос на доступ к памяти (часть интерфейса памяти) |
|
||||
|mem_we_o |Сигнал разрешения записи в память, «write enable» (при равенстве нулю происходит чтение) |
|
||||
|mem_size_o |Управляющий сигнал для выбора размера слова при чтении-записи в память (часть интерфейса памяти)|
|
||||
@@ -140,6 +159,7 @@
|
||||
|branch_o |Сигнал об инструкции условного перехода |
|
||||
|jal_o |Сигнал об инструкции безусловного перехода jal |
|
||||
|jalr_o |Сигнал об инструкции безусловного перехода jalr |
|
||||
|mret_o |Сигнал об инструкции возврата из прерывания/исключения mret |
|
||||
|
||||
Единственным входным сигналом этого модуля является `fetched_instr_i`.
|
||||
|
||||
@@ -148,22 +168,23 @@
|
||||
- неравенства двух младших битов opcode значению `11`;
|
||||
- некорректного значения `func3` или `func7` для данной операции;
|
||||
- если значение `opcode` не совпадает ни с одним из известных и следовательно операция не определена.
|
||||
- если это инструкция `ECALL` / `EBREAK`.
|
||||
|
||||
При реализации декодера его удобнее описывать разбив все инструкции на однотипные группы, как это сделано ниже. Коды операций в таблице 5-битные потому, что 2 младших бита полноценного 7-битного кода операции должны отдельно проверяться и быть равны `11`
|
||||
|
||||
|Операция|Opcode| Описание операции | Краткая запись |
|
||||
|--------|------|----------------------------------------------------------------------------------------------|------------------------------------|
|
||||
|OP |01100 |Записать в `rd` результат вычисления АЛУ над `rs1` и `rs2` |`rd = alu_op(rs1, rs2)` |
|
||||
|OP_IMM |00100 |Записать в `rd` результат вычисления АЛУ над `rs1` и `imm` |`rd = alu_op(rs1, imm)` |
|
||||
|LUI |01101 |Записать в `rd` значение непосредственного операнда U-типа `imm_u` |`rd = imm << 12` |
|
||||
|LOAD |00000 |Записать в `rd` данные из памяти по адресу `rs1+imm` |`rd = Mem[rs1 + imm]` |
|
||||
|STORE |01000 |Записать в память по адресу `rs1+imm` данные из `rs2` |`Mem[rs1 + imm] = rs2` |
|
||||
|BRANCH |11000 |Увеличить счетчик команд на значение `imm`, если верен результат сравнения `rs1` и `rs2` |`if cmp_op(rs1, rs2) then PC += imm`|
|
||||
|JAL |11011 |Записать в `rd` следующий адрес счетчика команд, увеличить счетчик команд на значение `imm` |`rd = PC + 4; PC += imm` |
|
||||
|JALR |11001 |Записать в `rd` следующий адрес счетчика команд, в счетчик команд записать `rs1+imm` |`rd = PC + 4; PC = rs1+imm` |
|
||||
|AUIPC |00101 |Записать в `rd` результат сложения непосредственного операнда U-типа `imm_u` и счетчика команд|`rd = PC + (imm << 12)` |
|
||||
|MISC-MEM|00011 |Не производить операцию | `-` |
|
||||
|SYSTEM |11100 |Не производить операцию | `-` |
|
||||
|Операция|Opcode| Описание операции | Краткая запись |
|
||||
|--------|------|-------------------------------------------------------------------------------------------------------|------------------------------------|
|
||||
|OP |01100 |Записать в `rd` результат вычисления АЛУ над `rs1` и `rs2` |`rd = alu_op(rs1, rs2)` |
|
||||
|OP_IMM |00100 |Записать в `rd` результат вычисления АЛУ над `rs1` и `imm` |`rd = alu_op(rs1, imm)` |
|
||||
|LUI |01101 |Записать в `rd` значение непосредственного операнда U-типа `imm_u` |`rd = imm << 12` |
|
||||
|LOAD |00000 |Записать в `rd` данные из памяти по адресу `rs1+imm` |`rd = Mem[rs1 + imm]` |
|
||||
|STORE |01000 |Записать в память по адресу `rs1+imm` данные из `rs2` |`Mem[rs1 + imm] = rs2` |
|
||||
|BRANCH |11000 |Увеличить счетчик команд на значение `imm`, если верен результат сравнения `rs1` и `rs2` |`if cmp_op(rs1, rs2) then PC += imm`|
|
||||
|JAL |11011 |Записать в `rd` следующий адрес счетчика команд, увеличить счетчик команд на значение `imm` |`rd = PC + 4; PC += imm` |
|
||||
|JALR |11001 |Записать в `rd` следующий адрес счетчика команд, в счетчик команд записать `rs1+imm` |`rd = PC + 4; PC = rs1+imm` |
|
||||
|AUIPC |00101 |Записать в `rd` результат сложения непосредственного операнда U-типа `imm_u` и счетчика команд |`rd = PC + (imm << 12)` |
|
||||
|MISC-MEM|00011 |Не производить операцию | `-` |
|
||||
|SYSTEM |11100 |Записать в `rd` значение `csr`. Обновить значение `csr` с помощью `rs1`. (либо `mret`/`ecall`/`ebreak`)|`csr = csr_op(rs1); rd = csr` |
|
||||
|
||||
## Инструменты
|
||||
|
||||
@@ -225,15 +246,18 @@ module decoder_riscv (
|
||||
output logic [1:0] a_sel_o,
|
||||
output logic [2:0] b_sel_o,
|
||||
output logic [4:0] alu_op_o,
|
||||
output logic [2:0] csr_op_o,
|
||||
output logic csr_we_o,
|
||||
output logic mem_req_o,
|
||||
output logic mem_we_o,
|
||||
output logic [2:0] mem_size_o,
|
||||
output logic gpr_we_o,
|
||||
output logic wb_sel_o, //write back selector
|
||||
output logic [1:0] wb_sel_o, //write back selector
|
||||
output logic illegal_instr_o,
|
||||
output logic branch_o,
|
||||
output logic jal_o,
|
||||
output logic jalr_o
|
||||
output logic jalr_o,
|
||||
output logic mret
|
||||
);
|
||||
import riscv_pkg::*;
|
||||
|
||||
|
||||
Reference in New Issue
Block a user