mirror of
https://github.com/MPSU/APS.git
synced 2025-09-16 17:40:41 +00:00
9739429d6e
* СП. Обновление предисловия * СП. Обновление введения * СП. Обновление лаб * СП. Обновление доп материалов * СП. Введение * СП. Введение * СП. ЛР№4, 15 * СП. Базовые конструкции Verilog * Update Implementation steps.md * СП. ЛР 4,5,7,8,14 * СП. ЛР№8 * Синхронизация правок * СП. Финал * Исправление ссылки на рисунок * Обновление схемы * Синхронизация правок * Добавление белого фона .drawio-изображениям * ЛР2. Исправление нумерации рисунка
206 lines
19 KiB
Markdown
206 lines
19 KiB
Markdown
# Лабораторная работа №7 "Тракт данных"
|
||
|
||
Микроархитектуру можно разделить на две части: тракт данных и устройство управления. По тракту данных перемещаются данные (из памяти инструкций, регистрового файла, АЛУ, памяти данных, мультиплексоров), а устройство управления (в нашем случае — декодер инструкций) получает текущую инструкцию из тракта и в ответ говорит ему как именно её выполнить, то есть управляет тем, как эти данные будут через проходить тракт данных.
|
||
|
||
## Цель
|
||
|
||
Описать на языке **SystemVerilog** процессор с архитектурой **RISC-V**, реализовав его тракт данных, используя разработанные ранее блоки, и подключив к нему устройство управления. Итогом текущей лабораторной работы станет процессор RISC-V, который пока что сможет работать с памятью данных лишь посредством 32-битных слов (то есть БЕЗ инструкций, связанных с байтами и полусловами: `lh`, `lhu`, `lb`, `lbu`, `sh`, `sb`).
|
||
|
||
## Ход работы
|
||
|
||
1. Изучить микроархитектурную реализацию однотактного процессора RISC-V (без поддержки команд загрузки/сохранения байт/полуслов)
|
||
2. Реализовать тракт данных с подключенным к нему устройством управления([#задание](#задание))
|
||
3. Подготовить программу по индивидуальному заданию и загрузить ее в память инструкций
|
||
4. Сравнить результат работы процессора на модели в **Vivado** и в симуляторе программы ассемблера
|
||
|
||
## Микроархитектура процессорной системы
|
||
|
||
### processor_core
|
||
|
||
Рассмотрим микроархитектуру процессорного ядра `processor_core`. Микроархитектура данного модуля представлена на _рис. 1_.
|
||
|
||
```Verilog
|
||
module processor_core (
|
||
input logic clk_i,
|
||
input logic rst_i,
|
||
|
||
input logic stall_i,
|
||
input logic [31:0] instr_i,
|
||
input logic [31:0] mem_rd_i,
|
||
|
||
output logic [31:0] instr_addr_o,
|
||
output logic [31:0] mem_addr_o,
|
||
output logic [ 2:0] mem_size_o,
|
||
output logic mem_req_o,
|
||
output logic mem_we_o,
|
||
output logic [31:0] mem_wd_o
|
||
);
|
||
|
||
endmodule
|
||
```
|
||
|
||
|
||
|
||
_Рисунок 1. Микроархитектура ядра процессора RISC-V._
|
||
|
||
Предложенная микроархитектура имеет схожую структуру c процессором `CYBERcobra 3000 Pro 2.0` из [ЛР№4](../04.%20Primitive%20programmable%20device/), с некоторыми изменениями.
|
||
|
||
В первую очередь изменились входы и выходы процессора:
|
||
|
||
- 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, реализованной в [ЛР№6](../06.%20Main%20memory/):
|
||
- `mem_addr_o` — адрес внешней памяти;
|
||
- `mem_req_o` — запрос на обращение во внешнюю память;
|
||
- `mem_size_o` — размер данных при обращении в память;
|
||
- `mem_we_o` — сигнал разрешения записи во внешнюю память;
|
||
- `mem_wd_o` — данные для записи во внешнюю память;
|
||
- `mem_rd_i` — считанные из внешней памяти данные;
|
||
Эти сигналы используются при выполнении инструкций загрузки (сохранения) информации из (в) памяти данных.
|
||
- ещё у процессора появился вход `stall_i`, приостанавливающий обновление программного счётчика.
|
||
|
||
Кроме того, в данной микроархитектуре используется пять различных видов констант (соответствующих определенным типам инструкций).
|
||
|
||
Константы `I`, `U`, `S` используются для вычисления адресов и значений. Поэтому все эти константы должны быть подключены к АЛУ. А значит теперь, для выбора значения для операндов требуются мультиплексоры, определяющие, что именно будет подаваться на АЛУ.
|
||
|
||
> [!IMPORTANT]
|
||
> Обратите внимание на константу `imm_U`. В отличие от всех остальных констант, она не знакорасширяется, вместо этого к ней "приклеивается" справа 12 нулевых бит.
|
||
|
||
Константы `B` и `J` используются для условного и безусловного перехода (в киберкобре для этого использовалась одна константа `offset`).
|
||
|
||
Программный счётчик (`PC`) теперь также изменяется более сложным образом. Поскольку появился ещё один вид безусловного перехода (`jalr`), программный счётчик может не просто увеличиться на значение константы из инструкции, но и получить совершенно новое значение в виде суммы константы и значения из регистрового файла (см. на самый левый мультиплексор _рис. 1_). Обратите внимание, что младший бит этой суммы должен быть обнулен — таково требование спецификации [[1](https://github.com/riscv/riscv-isa-manual/releases/download/20240411/unpriv-isa-asciidoc.pdf), стр. 28].
|
||
|
||
Поскольку обращение во внешнюю память требует времени, необходимо приостанавливать программный счётчик, чтобы до конца обращения в память не начались исполняться последующие инструкции. Для этого у программного счётчика появился управляющий сигнал `stall_i`. Программный счётчик может меняться только когда этот сигнал равен нулю (иными словами, инверсия этого сигнала является сигналом `enable` для регистра `PC`).
|
||
|
||
### processor_system
|
||
|
||
После реализации процессорного ядра, к нему необходимо подключить память. Это происходит в модуле `processor_system`.
|
||
|
||
```Verilog
|
||
module processor_system(
|
||
input logic clk_i,
|
||
input logic rst_i
|
||
);
|
||
|
||
endmodule
|
||
```
|
||
|
||
|
||
|
||
_Рисунок 2. Микроархитектура процессорной системы._
|
||
|
||
Обратите внимание на регистр `stall` (_рисунок 2_). Этот регистр и будет управлять разрешением на запись в программный счётчик. Поскольку мы используем блочную память, расположенную прямо в ПЛИС, доступ к ней осуществляется за 1 такт, а значит, что при обращении в память, нам необходимо "отключить" программный счётчик ровно на 1 такт. Если бы использовалась действительно "внешняя" память (например память типа DDR3), то вместо этого регистра появилась бы другая логика, выставляющая на вход ядра `stall_i` единицу пока идет обращение в память.
|
||
|
||
## Задание
|
||
|
||
1. Реализовать ядро процессора RISC-V по предложенной микроархитектуре (`processor_core`).
|
||
2. Подключить к нему память инструкций и память данных в модуле `processor_system`.
|
||
3. Проверить работу системы, с помощью тестовой программы из _листинга 1_.
|
||
4. Написать собственную программу на ассемблере RISC-V по индивидуальному заданию, которое было выбрано в ЛР№4, и проверить выполнение программы на вашей процессорной системе.
|
||
|
||
Напишем простую программу, которая использует все типы инструкций для проверки нашего процессора. Сначала напишем программу на ассемблере:
|
||
|
||
```assembly
|
||
00: addi x1, x0, 0x75С
|
||
04: addi x2, x0, 0x8A7
|
||
08: add x3, x1, x2
|
||
0C: and x4, x1, x2
|
||
10: sub x5, x4, x3
|
||
14: mul x6, x3, x4 // неподдерживаемая инструкция
|
||
18: jal x15, 0x00050 // прыжок на адрес 0x68
|
||
1C: jalr x15, 0x0(x6)
|
||
20: slli x7, x5, 31
|
||
24: srai x8, x7, 1
|
||
28: srli x9, x8, 29
|
||
2C: lui x10, 0xfadec
|
||
30: addi x10, x10,-1346
|
||
34: sw x10, 0x0(x4)
|
||
38: sh x10, 0x6(x4)
|
||
3C: sb x10, 0xb(x4)
|
||
40: lw x11, 0x0(x4)
|
||
44: lh x12, 0x0(x4)
|
||
48: lb x13, 0x0(x4)
|
||
4С: lhu x14, 0x0(x4)
|
||
50: lbu x15, 0x0(x4)
|
||
54: auipc x16, 0x00004
|
||
58: bne x3, x4, 0x08 // перескок через
|
||
5С: // нелегальную нулевую инструкцию
|
||
60: jal x17, 0x00004
|
||
64: jalr x14, 0x0(x17)
|
||
68: jalr x18, 0x4(x15)
|
||
```
|
||
|
||
_Листинг 1. Пример программы на ассемблере._
|
||
|
||
Теперь в соответствии с кодировкой инструкций переведем программу в машинные коды:
|
||
|
||
```text
|
||
00: 011101011100 00000 000 00001 0010011 (0x75C00093)
|
||
04: 100010100111 00000 000 00010 0010011 (0x8A700113)
|
||
08: 0000000 00010 00001 000 00011 0110011 (0x002081B3)
|
||
0C: 0000000 00010 00001 111 00100 0110011 (0x0020F233)
|
||
10: 0100000 00011 00100 000 00101 0110011 (0x403202B3)
|
||
14: 0000001 00100 00011 000 00110 0110011 (0x02418333)
|
||
18: 00000101000000000000 01111 1101111 (0x050007EF)
|
||
1C: 000000000000 00110 000 01111 1100111 (0x000307E7)
|
||
20: 0000000 11111 00101 001 00111 0010011 (0x01F29393)
|
||
24: 0100000 00001 00111 101 01000 0010011 (0x4013D413)
|
||
28: 0000000 11101 01000 101 01001 0010011 (0x01D45493)
|
||
2C: 11111010110111101100 01010 0110111 (0xFADEC537)
|
||
30: 101010111110 01010 000 01010 0010011 (0xABE50513)
|
||
34: 0000000 01010 00100 010 00000 0100011 (0x00A22023)
|
||
38: 0000000 01010 00100 001 00110 0100011 (0x00A21323)
|
||
3C: 0000000 01010 00100 000 01011 0100011 (0x00A205A3)
|
||
40: 000000000000 00100 010 01011 0000011 (0x00022583)
|
||
44: 000000000000 00100 001 01100 0000011 (0x00021603)
|
||
48: 000000000000 00100 000 01101 0000011 (0x00020683)
|
||
4C: 000000000000 00100 101 01110 0000011 (0x00025703)
|
||
50: 000000000000 00100 100 01111 0000011 (0x00024783)
|
||
54: 00000000000000000100 10000 0010111 (0x00004817)
|
||
58: 0000000 00011 00100 001 01000 1100011 (0x00321463)
|
||
5C: 00000000 00000000 00000000 00000000 (0x00000000)
|
||
60: 00000000010000000000 10001 1101111 (0x004008EF)
|
||
64: 000000000000 10001 000 01110 1100111 (0x00088767)
|
||
68: 000000000100 01111 000 10010 1100111 (0x00478967)
|
||
```
|
||
|
||
_Листинг 2. Программа из Листинга 1, представленная в машинных кодах._
|
||
|
||
Данная программа, представленная в шестнадцатеричном формате находится в файле [program.mem](program.mem).
|
||
|
||
## Порядок выполнения задания
|
||
|
||
1. Внимательно ознакомьтесь микроархитектурной реализацией процессорного ядра. В случае возникновения вопросов, проконсультируйтесь с преподавателем.
|
||
2. Замените файл `program.mem` в `Design Sources` проекта новым файлом [program.mem](program.mem), приложенном в данной лабораторной работе. Данный файл содержит программу из _листинга 1_.
|
||
3. Опишите модуль процессорного ядра с таким же именем и портами, как указано в задании.
|
||
1. Процесс реализации модуля похож на процесс описания модуля cybercobra, однако теперь появляется:
|
||
1. декодер
|
||
2. дополнительные мультиплексоры и знакорасширители.
|
||
2. Сперва рекомендуется создать все провода, которые будут подключены к входам и выходам каждого модуля на схеме.
|
||
3. Затем необходимо создать экземпляры модулей.
|
||
4. Также необходимо создать 32-разрядные константы I, U, S, B и J-типа и программный счётчик.
|
||
5. После необходимо описать логику, управляющую созданными в п. 3.2 проводами.
|
||
6. В конце останется описать логику работы программного счётчика.
|
||
4. Опишите модуль процессорной системы, объединяющий ядро процессора (`processor_core`) с памятью инструкций и памятью данных.
|
||
1. Опишите модуль с таким же именем и портами, как указано в задании.
|
||
2. **При создании объекта модуля `processor_core` в модуле `processor_system` вы должны использовать имя сущности `core` (т.е. создать объект в виде: `processor_core core(...`)**.
|
||
5. Проверьте модуль с помощью верификационного окружения, представленного в файле [`lab_07.tb_processor_system.sv`](lab_07.tb_processor_system.sv).
|
||
1. Перед запуском симуляции убедитесь, что выбран правильный модуль верхнего уровня в `Simulation Sources`.
|
||
2. Как и в случае с проверкой процессора архитектуры CYBERcobra, вам не будет сказано пройден тест или нет. Вам необходимо самостоятельно, такт за тактом проверить что процессор правильно выполняет описанные в _Листинге 1_ инструкции (см. порядок выполнения задания ЛР№4). Для этого, необходимо сперва самостоятельно рассчитать что именно должна сделать данная инструкция, а потом проверить что процессор сделал именно это.
|
||
6. После проверки работы процессора программой из _листинга 1_, вам необходимо написать собственную программу по варианту индивидуального задания, полученного в ЛР№4.
|
||
1. Для того, чтобы перевести код из ассемблера RISC-V в двоичный код, вы можете воспользоваться онлайн-компилятором, например: https://venus.kvakil.me. Напишите код во вкладке "Editor", затем, перейдя на вкладку "Simulator", нажмите кнопку "Dump". Двоичный код будет скопирован в буфер обмена в том формате, который подходит для инициализации памяти в Vivado, замените этим кодом содержимое файла program.mem в вашем проекте. С помощью кнопок "Step" и "Run" вы можете отладить вашу программу в онлайн-симуляторе, прежде чем перейти к запуску этой программы на собственной процессорной системе. В ЛР№14 вам будет рассказано, как скомпилировать программу самостоятельно, без помощи сторонних сервисов.
|
||
7. Проверьте работоспособность вашей цифровой схемы в ПЛИС.
|
||
|
||
---
|
||
|
||
<details>
|
||
<summary>Прочти меня, когда выполнишь.</summary>
|
||
Поздравляю, ты сделал(а) свой первый взрослый процессор! Теперь ты можешь говорить:
|
||
|
||
>Я способен(на) на всё! Я сам(а) полностью, с нуля, сделал(а) процессор с архитектурой RISC-V! Что? Не знаешь, что такое архитектура? Пф, щегол! Подрастешь – узнаешь
|
||
|
||
</details>
|
||
|
||
## Список источников
|
||
|
||
1. [The RISC-V Instruction Set Manual Volume I: Unprivileged ISA](https://github.com/riscv/riscv-isa-manual/releases/download/20240411/unpriv-isa-asciidoc.pdf).
|