Processador RISC-V Multiciclo

1. Unidade de Processamento
2. Descrição dos módulos criados
   • SignalExtend
   • ExtendToI
   • Muxes
   • ExtendToPC
3. Descrição dos Estados
   • Estados Iniciais
   • Estados de Instruções

Unidade de Processamento

Descrição dos módulos criados

SignalExtend

Algumas instruções possuem um elemento chamado de imediato que, na maioria dos casos, encontra-se fora de ordem. Em uma tabela abaixo, é possível ver onde se encontra o imediato de cada tipo de instrução. Antes de usá-lo, o sinal do imediato precisa ser estendido. Dessa forma, surge a necessidade de um módulo que receba a instrução inteira e um sinal indicando qual o tipo da instrução. O sinal em questão é o InstrType, possui três bits e é setado na unidade de controle, logo após a comparação do opcode. Portanto, para cada tipo de instrução, existe um InstrType diferente.

O módulo SignalExtend primeiramente monta o imediato de cada instrução: immI, immS, immSB, immUJ, immU guardam, respectivamente, os immediatos das instruções do tipo I, S, SB, UJ e U. Após montado, é feita a consulta a InstrType e a saída desse immediato estendido é determinada levando em conta o seu sinal. Caso seja negativo, a estenção é feita com vários bits 1 a esquerda do imediato e, caso positivo, com vários bits 0 a esquerda do imediato. Para as instruções do tipo SB e UJ, além da estenção do sinal, recebem dois bits 0 a direita. Um deles completa seu imediato que vai até 1 e não até 0, como os outros tipos de instruções. O outro trata a necessidade de multiplicar esse imediato por 2.

SignalExtend recebe duas entradas de 1 bit que são o clock e o reset, recebe a instrução de 32 bits que vem do registrador de instruções, InstrType, o identificador do tipo da instrução de 3 bits e retorna um dado de 64 bits com o imediato extendido.

ExtendToI

A instrução ld usa o rs1 e imm extendido para calcular um endereço de memória e armazena no rd o conteúdo inteiro da memória de dados que encontra-se nesse endereço calculado. De forma parecida, a instrução sd usa o rs1 e imm extendido para calcular um endereço de memória e substitui o conteúdo que está nesse endereço da memória de dados, pelo conteúdo inteiro de rs2.

Diferente dessas duas instruções, algumas precisam armazenar apenas uma parte do rs2, preservando o restante contido na memória, ou armazenar em rd não o conteúdo inteiro da memória naquele endereço específico, mas só parte desse conteúdo. Portanto, surge a necessidade de um módulo que faça o tratamento dessas variações de sd e ld, carregando ou escrevendo o conteúdo correto nas partes certas.

ExtendToI recebe duas entradas de 1 bit que são o clock e o reset e recebe um seletor de 3 bits, InstrIType, informando a instrução exata a ser tratada. Entram, ainda, 4 dados de 64 bits cada. Um deles, outMDR, é a saída da memória de dados após passar pelo registrador MDR. Economizando um ciclo, esse dado vem também pela entrada DataMemOut. O módulo recebe também a saída dos registradores A e B, regAOut e regBOut. Como saídas, extendToBanco vai em direção ao banco de registradores e extendToMem, à memória de dados.

Muxes

Foi criado um mux de 8 entradas e uma saída, ambas de 64 bits. Porém, a partir desse, foram criados outros dois para dados de 32 bits e 5 bits. Ambos, além das entradas e saída, recebem um seletor de 3 bits. Apesar das 8 entradas, foram necessárias no máximo 4.

ExtendToPC

Para o caso de exceções de opcode ou overflow, surge a necessidade de estender o valor de 32 bits saído da memória de instruções para o registrador PC que é de 64 bits. ExtendToPC recebe duas entradas de um bit que são o clock e o reset, além da saída de 32 bits vinda da memória de instruções e retorna um dado de 64 bits, outExtendToPC que segue em direção a PC.

Descrição dos estados

A unidade de controle possui cerca de 52 estados. No entanto, alguns desses, atuam apenas apenas como bypass para outros estados, como boa parte dos stores e loads que aproveitam as ações de sd e ld. Há também uma grande recorrência do ato de salvar no rd e, portanto, existe um estado dedicado somente a esta ação. Para os branches, como a ação que ocorre em caso de desvio é a mesma para todos, eles acabam por partilhar um mesmo estado.

Estados Iniciais

• busca Libera a escrita em PC para que seja possível incrementá-lo, prepara a ALU para a soma e seleciona PC através do seletor do Mux1 e 4 no Mux2.
• salvaInstrucao Ativa a escrita no registrador de instruções para salvar a instrução vinda da memória de instruções.
• decodInstrucao Verifica o opcode e funcs para determinar qual o estado a tratar cada instrução além de identificar cada uma delas alterando o valor de InstrType e InstrIType. Além disso, libera a leitura do banco de registradores por meio do seu seletor e carrega o rs1 e rs2 respectivamente nos registradores A e B.

Estados de Instruções

• add Soma rs1 com rs2 e salva o resultado dessa soma em rd. Para isso, seleciona a saída dos muxes referentes às entradas dos registradores A e B, ativa a soma na Alu e libera a escrita no registrador da Alu. Caso não ocorra overflow, após isso, vai para loadRd, onde a saída da alu será carregada no rd. Em caso de overflow, vai tratar a exceção de overflow em outro estado.
• sub Realiza subtração entre rs1 e rs2. Após isso, salva o resultado dessa subtração em rd. Para isso, seleciona a saída dos muxes referentes às entradas dos registradores A e B, ativa a subtração na Alu e libera a escrita no seu registrador. Caso não ocorra overflow, após isso, vai para loadRd, onde a saída da alu será carregada no rd. Em caso de overflow, vai tratar a exceção de overflow em outro estado.
• loadRD Através do seletor do mux, escolhe a saída da ALU, garante que o endereço de rd será Instr11_7 e libera a escrita no banco de registradores, ou melhor, em rd.
• addi Soma o valor do registrador rs1 com a constante imm e salva no registrador de destino, rd. Para isso, seleciona as saídas dos muxes referentes a rs1 e o imediato extendido para a alu. Ativa a soma na alu e libera a escrita em seu registrador. Caso não ocorra overflow, após isso, vai para loadRd, onde a saída da alu será carregada no rd. Em caso de overflow, vai tratar a exceção de overflow em outro estado.
• lb Como ExTendToI já possui seu imediato tratado, vai para o primeiro estado de ld.
• lh Como ExTendToI já possui seu imediato tratado, vai para o primeiro estado de ld.
• lw Como ExTendToI já possui seu imediato tratado, vai para o primeiro estado de ld.
• lbu Como ExTendToI já possui seu imediato tratado, vai para o primeiro estado de ld.
• lhu Como ExTendToI já possui seu imediato tratado, vai para o primeiro estado de ld.
• lwu Como ExTendToI já possui seu imediato tratado, vai para o primeiro estado de ld.
• ld_estado1 O ld lê uma Double Word (64 bits) da memória de dados e escreve no registrador de destino. Soma o que está em rs1 com o imediato para obter o endereço a ser buscado na memória. O que estiver nesse endereço, será salvo em rd. No seu primeiro estado, libera rs1 e o imediato estendido para ALu através dos muxes 1 e 2, ativa a soma na alu e libera a escrita em seu registrador. Após isso, segue para a segunda fase do ld.
• ld_estado2 Através do seletor da memória de dados, lê o conteúdo da memória no endereço saído da alu e segue pra terceira fase do ld.
• ld_estado3 Libera a escrita no registrador MDR e segue para a quarta fase de ld.
• ld_estado4 Seleciona a saída da memória em direção ao banco, garante que ser escrito é o Instr11_7 e libera a escrita no banco, ou melhor, em rd.
• sw Como ExTendToI já possui seu imediato tratado, vai para o primeiro estado de sd.
• sh Como ExTendToI já possui seu imediato tratado, vai para o primeiro estado de sd.
• sb Como a leitura memória precisa de mais um ciclo, vai para sb_espera.
• sb_espera Como ExTendToI já possui seu imediato tratado, vai para o primeiro estado de sd.
• sd_estado1 Por meio do mux, libera rs1 e imm estendido para ALU, ativa a função de soma e libera a escrita no registrador da ALU.
• sd_estado2 Escreve o DataIn no endereço de saída da ALU.
• beq Libera o conteúdo de rs1 e rs2 para ALU e ativa a função de comparação. Caso sejam iguais, vai para beqOrbne. Caso contrário, segue para busca.
• bne Libera o conteúdo de rs1 e rs2 para ALU e ativa a função de comparação. Caso não sejam iguais, vai para beqOrbne. Caso contrário, segue para busca.
• bge Libera o conteúdo de rs1 e rs2 para ALU e ativa a função de comparação. Caso rs1 seja maior ou igual a rs2, vai para beqOrbne. Caso contrário, segue para busca.
• blt Libera o conteúdo de rs1 e rs2 para ALU e ativa a função de comparação. Caso rs1 seja menor que rs2, vai para beqOrbne. Caso contrário, segue para busca.
• beqOrbne Libera a saída de PC e o imm pronto para ALU, ativa a função soma e escreve o resultado da soma em PC.
• lui Libera 0 e a saída do signalExtend para a ALU, ativa a função de soma e libera a escrita no registrador da ALU.
• and_estado Libera o conteúdo de rs1 e rs2 para a ALU, ativa a função de and lógico na ALU e libera a escrita no registrador da ALU.
• slt Libera o conteúdo de rs1 e rs2 para ALU e segue para setOnLessThan.
• slti Libera o conteúdo de rs1 e rs2 para ALU e segue para setOnLessThan.
• setOnLessThan Ativa a função de comparação na ALU. Caso rs1 seja menor que rs2, libera 0 e 1 para alu, ativa a função de soma e libera a escrita de 1+0 no registrador da ALU. Caso contrário, libera 0 e 0 para ALU, ativa a função de soma e libera a escrita da soma de 0 + 0 no registrador da ALU.
• jalr_estado1 Libera conteúdo de PC e 0 para ALU, ativa a função de soma e libera a escrita de PC+0 no registrador da ALU.
• jalr_estado2 Seleciona a saída da alu para o banco de registradores, garante que o endereço a escrever será o de rd e libera a escrita nele.
• jalr_estado3 Libera o conteúdo de rs1 e o imm estendido para ALU, ativa a função de soma e libera a escrita dessa soma em PC.
• jal_estado1 Libera o conteúdo de PC e 0 para ALU, ativa a função de soma e libera a escrita da soma PC + 0 no registrador da ALU.
• jal_estado2 Seleciona a saída do registrador da ALU para o banco de registradores, garante que o endereço de escrita será o de rd e libera a escrita no banco, escrevendo em rd.
• jal_estado3 Libera o conteúdo de PC e o imm estendido para ALU, ativa a função de soma na ALU e libera a escrita de PC + imm no registrador da ALU
• srli Como ExtendToI já tem feito o tratamento necessário, já tem feito o shift, segue para loadShift.
• srai Como ExtendToI já tem feito o tratamento necessário, já tem feito o shift, segue para loadShift.
• slli Como ExtendToI já tem feito o tratamento necessário, já tem feito o shift, segue para loadShift.
• loadShift Escolhe a saída de ExtendToI em direção ao banco de registradores, garante que o endereço de escrita será o do rd e libera a escrita.
• breaker Para a execução completamente, sempre chamando a ele mesmo.
• excecao_opcode Seleciona a saída de PC e 4, ativa a função de subtração e escreve a saída da ALU em EPC.
• excecao_opcode2 Carrega 254 na memória de instruções, seleciona a saída de extendToPC e escreve em PC.
• excecao_overflow Seleciona a saída de PC e 4, seta alu para subtração e escreve a saída da ALU em EPC.
• excecao_overflow2 Carrega 255 na memória de instruções, seleciona a saída de extendToPC e escreve em PC.