《自己动手写CPU》--第八章-阅读笔记

本章将为OpenMIPS处理器添加转移指令，转移指令包括跳转、分支两种，区别在于前者是绝对转移，后者是相对转移，但实现的方法是相似的。

8.1延迟槽

在实现转移指令之前，先介绍一下延迟槽的概念。第5章已经介绍了流水线中存在的三种相关：数据相关、结构相关、控制相关。其中控制相关是指流水线中的转移指令或者其他需要改写PC的指令造成的相关。这些指令改写了PC的值，所以导致后面已经进入流水线的几条指令无效，比如：如果转移指令在流水线的执行阶段进行转移条件判断，在发生转移时，会导致当前处于取指、译码阶段的指令无效，需要重新取指。

也就是说，在流水线执行阶段进行转移判断，并且转移发生，那么会有2条无效指令，熬制浪费了两个时钟周期。为了减少损失，规定转移指令后面的指令位置为“延迟槽”，延迟槽中的指令为“延迟指令”，延迟指令总是被执行，与转移发生与否没有关系。OpenMIPS就使用延迟槽技术。

但是，即使引入延迟槽，在转移发生时仍然会导致已经进入取指阶段的指令无效，也就是说，仍浪费一个一个时钟周期，要解决这个问题，可以在译码阶段机型转移判断，这样就可以避免浪费时钟周期。OpenMIPS处理器就设计在译码阶段机型转移判断。

8.2转移指令说明

MIPS32指令集架构中定义的转移指令共有14条，可分为如下两类。

--跳转指令：jr、jalr、j、jal。

--分支指令：b、bal、beq、bgez、bgezal、bgtz、blez、bltz、bltzal、bne

跳转指令是绝对转移指令，分支指令是相对转移指令

1.跳转指令

j、jal指令可以通过指令码进行判断，jr、jalr指令的指令码为SPECIAL，还需要依据功能码进一步判断。 

2.分支指令 

 

--指令码：6'b000100         beq

        指令用法： beq rs, rt, offset.

        指令作用：if rs = rt then branch, 将地址为rs的通用寄存器的值与地址为rt的通用寄存器的值进行比较，如果相等，那么发生转移。

--指令码：6'b000100 且16~25bit为0时，表示b指令。

        指令用法：b offset

        指令作用：无条件转移，从图8-4可知，b指令可以认为是beq指令的特殊情况，当beq指令的rs、rt都等于0时，即为b指令，所以在OpenMIPS实现的时候不需要特意实现b指令，只需要实现beq指令即可。

--指令码：6'b000111时，表示bgtz指令。

        指令用法：bgtz rs，offset

        指令作用：if rs >0 then branch,如果地址为rs的通用寄存器的值大于0，那么发生转移。

--指令码：6'b000110，表示blez指令

        指令用法：blez rs, offset

        指令作用：if rs <=0 then branch, 如果地址为rs的通用寄存器的值小于0，那么发生转移

--指令码：6'b000101  表示bne指令

        指令用法：bne rs , rt, offset。

        指令作用：if rs != rt then branch，如果地址为rs的通用寄存器的值不等于地址为rt的通用寄存器的值，那么发生转移。

--指令码：REGIMM，且第16~20bit为5'b00000时，表示bltz指令

        指令用法：bltz rs, offset

        指令作用：if rs < 0 then branch ，如果地址为rs的通用寄存器的值小于0，那么发生转移

--指令码：REGIMM，且第16~20bit为5'b10000时，表示bltzal指令

        指令用法：bltzal rs, offset

        指令作用：if rs < 0 then branch，若果地址为rs的通用寄存器的值小于0，那么发生转移，并且将转移指令后面第2条指令的地址作为返回地址，保存到通用寄存器$31

8.3转移指令实现思路

8.3.1S实现思路

        为了尽量减少转移指令带来的损失，OpenMIPS在译码阶段进行转移条件的判断，如果满足转移条件，那么修改PC为转移目标地址

8.3.2数据流图的修改

1.在译码阶段多来转移判断的步骤

2.PC的取指变为三种情况

        情况一：PC等于PC+4.这属于一般情况，每个时钟周期PC加4指向下一条指令。

        情况二：PC保持不变。当流水线暂停的时候，就会发生这种情况。

        情况三：PC等于转移判断的结果。如果是转移指令，且满足转移条件，那么会将转移目标地址赋给PC

 8.3.3系统结构的修改

 (1)如果译码阶段的指令是转移指令，并且满足转移条件，那么ID模块设置转移发生标志branch_flag_o为Branch，同时通过branch_target_address_o接口给出转移目的的地址，送到PC模块，后者据此修改取指地址。

(2)如果译码阶段的指令是转移指令，并且满足转移条件，那么ID模块还会设置next_inst_in_delayslot_o为InDelaySlot，表示下一条指令是延迟槽指令，其中InDelaySlot是一个宏定义。next_inst_in_delayslot_o信号会送入ID/EX模块，并在在一个时钟周期通过ID/EX模块的is_in_delayslot_o接口送回到ID模块，ID模块可以据此判断当前处于译码阶段的指令是否是延迟槽指令。

(3)如果转移指令需要保存返回地址，那么ID模块还要计算返回地址，并通过link_addr_o接口输出，该值最终会传递到EX模块，作为要写入目的寄存器的值

8.4修改OpenMIPS以实现转移指令

8.4.1修改取指阶段的PC模块

8.4.2修改译码阶段

 在ID模块中要增加对转移指令的分析

 2.修改ID/EX模块

 8.4.3修改执行阶段的EX模块