第七章 算术操作指令的实现

本章将实现MIPS32指令集架构定义的所有算数指令，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）简单算数操作指令
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、乘累减治令
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。也就是说，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，那么会使流水线的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。也就是说，除法指令需要多个时钟周期才能完成，所以单独作为一类。

7.1简单算数操作指令说明

简单算数操作指令一共有15条，具体包括add、addi、addiu、addu、sub、subu、clo、clz,slt,sltu,mul,mult,multu，各指令的格式及作用说明如下：

1.add,addu,sub,subu,slt,sltu指令
这6条指令的格式如图所示，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，需要依据指令中第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，表示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，表示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，表示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，那么会产生溢出异常，同时不保存结果。

• 当功能码是6’b100011，表示usbu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6’101010，表示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。
  2.addi addiu slti sltiu指令
  这4条指令的格式如图所示，从图中可以发现这4条指令都是1类型指令，能够依据指令中第26-31bit指令码的值判断是哪一种指令。
  
  3.clo、clz指令
  这2条指令的格式如图所示，从图中可以发现者 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，需要依据指令中第0-5bit功能码的值进一步判断是哪种指令。

• 当功能码是6’b100000，表示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’b1000001,表示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条指令的格式如图所示，可知这3条都是R类型指令，并且mul指令的指令码是SPECIAL2，mult和multu指令码是SPECIAL。
  

• 当指令码为SPECIAL2，功能码为6’b000010,表示mul指令，乘法运算
  指令用法为：mul 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的通用寄存器的值作有符号相乘，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mult指令，乘法运算。
  指令用法为：mult rs,rt
  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相乘，乘法的低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，表示multu指令，乘法运算。
  指令用法为：multu rs,rt。
  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的通用寄存器的值做无符号相乘，乘法的低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做无符号数进行运算。

7.2 简单算数操作指令实现思路

虽然简单算数操作指令的数目较多，有15条，但实现方式都是相似的，与前几章逻辑、移位操作指令的实现方式也类似，不需要增加新的模块和新的接口，只需要修改流水线译码阶段的ID模块，执行阶段的EX模块即可，实现思路如下：

（1）修改流水线译码阶段的ID模块，添加对上述简单算术操作指令的译码，给出运算类型alusel_o、运算子类型aluop_o、要写入的目的寄存器地址wd_o等信息；同时根据需要，读取地址为rs、rt的通用寄存器的值。
（2）修改流水线执行阶段的EX模块，依据传入的信息进行运算，得到运算结果，确定要写入目的寄存器的信息（包含：是否写、写入的目的寄存器地址、写入的值），并将这些信息传递到访存阶段。
（3）上述信息会一直传递到回写阶段，最后修改目的寄存器。

7.3.1 修改译码阶段的ID模块

在译码阶段要增加算数操作指令的分析，分析的前提是能判断出指令的种类：

对任一指令而言，译码工作的主要内容是：确定要读取的寄存器情况、要执行的运算、要写入的目的寄存器等三个方面的信息。下面对其中几个典型指令的译码过程进行解释。

1. add指令的译码过程
   add指令译码需要设置的三方面内容如下（addu、sub、subu指令的译码过程可以参考add指令）
   （1）要读取的寄存器情况:add指令需要读取rs、rt寄存器的值，所以设置reg1_read_o、reg2_read_o为1.默认通过regfile模块读端口1读取的寄存器地址reg1_addr_o的值是指令的第21-25bit，正是add指令中的rs，默认通过regfile模块读端口2读取的寄存器地址reg2_addr_o的值是指令的第16-20bit，正是add指令中的rt所以最终译码阶段的输出reg1_o就是地址为rs的寄存器的值，reg2_o就是地址为rt的寄存器的值。
   （2）要执行的运算：add指令是算数运算中的加法操作，所以此处将alusel_o赋值为EXE_RES_ARITHMETIC，aluop_o赋值给EXE_ADD_OP
   （3）要写入的目的寄存器：add指令需要将结果写入目的寄存器，所以设置wreg_o为WriteEnable,设置wd_o为要写入的目的寄存器地址，默认是指令字的第11-15bit ，正是add指令中的rd。

2. addi指令的译码过程
   addi指令译码需要设置的三方面内容如下(addiu、subi、subiu指令的译码过程可以参考addi指令）
   （1）要读取的寄存器情况：addi只需要读取rs寄存器的值，所以设置reg1_read_o为1、reg2_read_o为0.默认通过regfile模块读端口1读取的寄存器地址reg1_addr_o的值是指令的第21-25bit，正是addi指令中的rs。设置reg2_read_o为0，表示使用立即数作为参与运算的第二个操作数。imm就是指令中的立即数进行符号拓展后的值。所以最终译码阶段的输出reg1_o就是地址为rs的寄存器的值，reg2_o就是imm的值。
   （2）要执行的运算：addi指令是算术运算中的加法操作，所以此处将alusel_o赋值为EXE_RES_ARITHMETIC，aluop_o赋值为EXE_ADDI_OP。
   （3）要写入的目的寄存器：addi指令需要将结果写入目的寄存器，所以设置wreg_o为WriteEnable,设置要写入的目的寄存器地址wd_o是指令中第16-20bit的值，正是addi指令中的rt。

3. slt指令的译码过程
   slt指令的译码需要设置三方面内容如下（sltu指令的译码过程可以参考slt指令）
   

4. slti指令的译码过程
   

5. mult指令的译码过程
   

6. mul指令的译码过程
   

7. clo指令的译码过程
   

7.3.2修改执行阶段的EX模块