自己动手写CPU之第七阶段（1）——简单算术操作指令说明

将陆续上传本人写的新书《自己动手写CPU》（尚未出版），今天是第24篇，我尽量每周四篇

      本章将实现MIPS32指令集架构定义的所有算术操作指令，共有21条，按照OpenMIPS实现这些指令的方式，可以分为三类，分别介绍如下。

      （1）简单算术操作指令

      共有15条，包括加法、减法、比较、乘法等指令，这些指令在流水线的执行阶段都只需要一个时钟周期，而且实现思路很直观，与第4章添加逻辑操作指令类似，只需修改译码阶段的ID模块、执行阶段的EX模块，即可实现。

      （2）乘累加、乘累减指令

      共有4条：乘累加madd、无符号乘累加maddu、乘累减msub、无符号乘累减msubu。其中madd、maddu要求操作数相乘后，再与HI、LO寄存器的值相加，msub、msubu指令要求操作数相乘后，再与HI、LO寄存器的值相减，也就是这4条指令都要做两次运算，一次乘法、一次加（减）法，如果将这两次运算放在流水线执行阶段的一个时钟周期中完成，那么会使流水线执行阶段所需要的时间明显增加，从而降低OpenMIPS工作时钟的频率，因此，OpenMIPS设计在流水线执行阶段使用两个时钟周期完成这类指令，一个时钟周期进行乘法，下一个时钟周期进行加（减）法。

     （3）除法指令

      共有2条：有符号除法div、无符号除法divu。OpenMIPS计划采用试商法完成除法运算，对于32位的除法，流水线执行阶段至少需要32个时钟周期，也就是除法指令需要多个时钟周期才能完成，所以单独作为一类。

      本章将分别介绍上述三种类别的算术操作指令的实现过程。7.1-7.4节给出了简单算术操作指令的格式、作用，介绍了实现思路，并修改OpenMIPS代码以实现简单算术操作指令，最后通过ModelSim仿真验证是否实现正确。

      因为乘累加、乘累减、除法指令都需要在流水线执行阶段占用多个时钟周期，这就需要使流水线暂停，所以在实现这些指令之前，先要实现流水线暂停，在7.5节介绍了使流水线暂停的方法。

      7.6-7.9节给出了乘累加、乘累减指令的格式、作用，介绍了实现思路，并修改OpenMIPS代码以实现乘累加、乘累减指令，最后进行仿真测试。

      7.10-7.13节给出了除法指令的格式、作用，介绍了实现思路，并修改OpenMIPS代码以实现除法指令，最后进行仿真测试。

      7.14节给出了实现算术操作指令后的数据流图。

7.1 简单算术操作指令说明

      简单算术操作指令包括：add、addi、addiu、addu、sub、subu、clo、clz、slt、slti、sltiu、sltu、mul、mult、multu，共15条指令，各指令的格式及作用说明如下。

      1、add、addu、sub、sub、slt、sltu指令

      这6条指令的格式如图7-1所示。从图中可以发现这6条指令都是R类型指令，并且指令码都是6'b000000，即SPECIAL类，另外第6-10bit都为0，需要依据指令中0-5bit功能码的值进一步判断是哪一种指令。

•  当功能码是6'b100000时，表示是add指令，加法运算

      指令用法为：add rd, rs, rt

      指令作用为：rd <- rs + rt，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加法运算，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。但是有一种特殊情况：如果加法运算溢出，那么会产生溢出异常，同时不保存结果。

•  当功能码是6'b100001时，表示是addu指令，加法运算

      指令用法为：addu rd, rs, rt

      指令作用为：rd <- rs + rt，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加法运算，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。与add指令不同之处在于addu指令不进行溢出检查，总是将结果保存到目的寄存器。

•  当功能码是6'b100010时，表示是sub指令，减法运算

      指令用法为：sub rd, rs, rt

      指令作用为：rd <- rs - rt，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减法运算，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。但是有一种特殊情况：如果减法运算溢出，那么产生溢出异常，同时不保存结果。

•  当功能码是6'b100011时，表示是subu指令，减法运算

      指令用法为：subu rd, rs, rt

      指令作用为：rd <- rs - rt，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减法运算，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。与sub指令不同之处在于subu指令不进行溢出检查，总是将结果保存到目的寄存器。

•  当功能码是6'b101010时，表示是slt指令，比较运算

      指令用法为：slt rd, rs, rt

      指令作用为：rd <- (rs < rt)，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值按照有符号数进行比较，如果前者小于后者，那么将1保存到地址为rd的通用寄存器中，反之，将0保存到地址为rd的通用寄存器中。

•  当功能码是6'b101011时，表示是sltu指令，比较运算

      指令用法为：sltu rd, rs, rt

      指令作用为：rd <- (rs < rt)，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值按照无符号数进行比较，如果前者小于后者，那么将1保存到地址为rd的通用寄存器中，反之，将0保存到地址为rd的通用寄存器中。

      2、addi、addiu、slti、slti指令

      这4条指令的格式如图7-2所示。从图中可以发现这4条指令都是I类型指令，能够依据指令中26-31bit指令码的值判断是哪一种指令。

•  当指令码是6'b001000时，表示是addi指令，加法运算

      指令用法为：addi rt, rs, immediate

      指令作用为：rt <- rs + (sign_extended)immediate，将指令中16位立即数进行符号扩展，与地址为rs的通用寄存器的值进行加法运算，结果保存到地址为rt的通用寄存器中。但是有一个特殊情况：如果加法运算溢出，那么产生溢出异常，同时不保存结果。

•  当指令码是6'b001001时，表示是addiu指令，加法运算

      指令用法为：addiu rt, rs, immediate

      指令作用为：rt <- rs + (sign_extended)immediate，将指令中16位立即数进行符号扩展，与地址为rs的通用寄存器的值进行加法运算，结果保存到地址为rt的通用寄存器中。与addi指令的区别在于addiu指令不进行溢出检查，总是将结果保存到目的寄存器。

•  当指令码是6'b001010时，表示是slti指令，比较运算

      指令用法为：slti rt, rs, immediate

      指令作用为：rt <- (rs < (sign_extended)immediate)，将指令中16位立即数进行符号扩展，与地址为rs的通用寄存器的值按照有符号数比较，如果前者大于后者，那么将1保存到地址为rt的通用寄存器中，反之，将0保存到地址为rt的通用寄存器中。

•  当指令码是6'b001011时，表示是sltiu指令，比较运算

      指令用法为：sltiu rt, rs, immediate

      指令作用为：rt<- (rs < (sign_extended)immediate)，将指令中16位立即数进行符号扩展，与地址为rs的通用寄存器的值按照无符号数比较，如果前者大于后者，那么将1保存到地址为rt的通用寄存器中，反之，将0保存到地址为rt的通用寄存器中。

      3、clo、clz指令

      这2条指令的格式如图7-3所示，从图中可以发现这2条指令都是R类型指令，并且指令码都是6'b011100，在MIPS32指令集架构中表示SPECIAL2类，另外第6-10bit都为0，需要依据指令中0-5bit功能码的值进一步判断是哪一种指令。

•  当功能码是6'b100000时，表示是clz指令，计数运算

      指令用法为：clz rd, rs

      指令作用为：rd <- coun_leading_zeros rs，对地址为rs的通用寄存器的值，从其最高位开始向最低位方向检查，直到遇到值为“1”的位，将该位之前“0”的个数保存到地址为rd的通用寄存器中，如果地址为rs的通用寄存器的所有位都为0（即0x00000000），那么将32保存到地址为rd的通用寄存器中。

•  当功能码是6'b100001时，表示是clo指令，计数运算

      指令用法为：clo rd, rs

      指令作用为：rd <- coun_leading_ones rs，对地址为rs的通用寄存器的值，从其最高位开始向最低位方向检查，直到遇到值为“0”的位，将该位之前“1”的个数保存到地址为rd的通用寄存器中，如果地址为rs的通用寄存器的所有位都为1（即0xFFFFFFFF），那么将32保存到地址为rd的通用寄存器中。

      4、multu、mult、mul指令

      这3条指令的格式如图7-4所示，可知这3条指令都是R类型指令，并且mul指令的指令码是SPECIAL2，mult、multu的指令码是SPECIAL。

•  当指令码为SPECIAL2，功能码为6'b000010时，表示是mul指令，乘法运算

      指令用法为：mul rd, rs, st

      指令作用为：rd <- rs × rt，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值作为有符号数相乘，乘法结果的低32bit保存到地址为rd的通用寄存器中。

•  当指令码为SPECIAL，功能码为6'b011000时，表示是mult指令，乘法运算

      指令用法为：mult rs, st

      指令作用为：{hi, lo} <- rs × rt，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值作为有符号数相乘，乘法结果的低32bit保存到LO寄存器中，高32bit保存到HI寄存器中。

•  当指令码为SPECIAL，功能码为6'b011001时，表示是multu指令，乘法运算

      指令用法为：multu rs, st

      指令作用为：{hi, lo} <- rs × rt，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值作为无符号数相乘，乘法结果的低32bit保存到LO寄存器中，高32bit保存到HI寄存器中。与mult指令的区别在于multu指令执行中将操作数作为无符号数进行运算。