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Simulación en VHDL del Datapath del MIPS

Simulación en VHDL del Datapath del MIPS. Descripción. Implementar una versión simplificada del datapath del MIPS Se asume que la memoria de instrucciones y la memoria de datos son externas al sistema. Formato de las instrucciones. Instrucciones I-Type Instrucciones R-Type

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  1. Simulación en VHDL del Datapath del MIPS

  2. Descripción • Implementar una versión simplificada del datapath del MIPS • Se asume que la memoria de instrucciones y la memoria de datos son externas al sistema

  3. Formato de las instrucciones • Instrucciones I-Type • Instrucciones R-Type • Instrucciones J-Type

  4. Formato de las instrucciones • Opcode: es el codigo que identifica la instruccion. Instrucciones relacionadas pueden tener el mismo opcode, la longitud de este campo es de 6 bits (bit 26 al bit 31). • RS1,RS2: representan los registros de entrada. • RD: es el registro de destino

  5. Instrucciones R-Type • Las instrucciones de tipo R son aquellas en las que los valores de datos usados por la instrucción estan guardados en registros.

  6. Instrucción R-Type Opcode rs rt shift funct rs, rt, rd Es la representacion numerica de los registros de operandos y el registro de destino (por ejemplo de 0 a 31). Cada uno de estos campos tiene 5 bits de largo. Shift: se usa en las operaciones de shift y de rotacion, indica cuantas veces el registro rs es rotado/shifted. Este campo tiene 5 bits. Funct: para las instrucciones que comparten el mismo opcode, el parametro funct contiene los codigos de control necesarios para diferenciar las distintas instrucciones, Tiene 6 bits de largo

  7. Ejemplos de instrucciones • add $rd, $rs, $rt • add $rt, $rs, immed • j target

  8. R-Type: Shift • IR[31:26] IR[5:0] Mnemonic Effect • 000000 0x00 000000 0x00 slli RD = RS1 << SA • 000000 0x00 000001 0x01 slai RD = RS1 << SA (arith.) • 000000 0x00 000010 0x02 srli RD = RS1 >> SA • 000000 0x00 000011 0x03 srai RD = RS1 >> SA (arith.) • 000000 0x00 000100 0x04 sll RD = RS1 << RS2[4:0] • 000000 0x00 000101 0x05 sla RD = RS1 << RS2[4:0] (arith.) • 000000 0x00 000110 0x06 srl RD = RS1 >> RS2[4:0] • 000000 0x00 000111 0x07 sra RD = RS1 >> RS2[4:0] (arith.)

  9. R-Type: instrucciones Aritmeticas • IR[31:26] IR[5:0] Mnemonic Effect 000000 0x00 100000 0x20 add RD = RS1 + RS2 000000 0x00 100001 0x21 addu RD = RS1 + RS2 (no overflow) 000000 0x00 100010 0x22 sub RD = RS1 - RS2 000000 0x00 100011 0x23 subu RD = RS1 - RS2 (no overflow) 000000 0x00 100100 0x24 and RD = RS1 Ù RS2 000000 0x00 100101 0x25 or RD = RS1 Ú RS2 000000 0x00 100110 0x26 xor RD = RS1 Å RS2 000000 0x00 100111 0x27 lhg RD = RS2[15:0] 016

  10. R-Type: Test Set instructions • IR[31:26] IR[5:0] Mnemonic Effect • 000000 0x00 101000 0x28 clr RD = ( false ? 1 : 0) • 000000 0x00 101001 0x29 sgr RD = (RS1 > RS2 ? 1 : 0) • 000000 0x00 101010 0x2a seq RD = (RS1 = RS2 ? 1 : 0) • 000000 0x00 101011 0x2b sge RD = (RS1 ³ RS2 ? 1 : 0) • 000000 0x00 101100 0x2c sls RD = (RS1 < RS2 ? 1 : 0) • 000000 0x00 101101 0x2d sne RD = (RS1 ¹ RS2 ? 1 : 0) • 000000 0x00 101110 0x2e sle RD = (RS1 £ RS2 ? 1 : 0) • 000000 0x00 101111 0x2f set RD = ( true ? 1 : 0)

  11. Instrucciones I-Type • Las instrucciones I-type son las que involucran valores inmediatos. Estas instrucciones tienen un solo registro fuente (el otro operando es el valor inmediato) y un registro destino.

  12. I-Type: Data Transfer IR[31:26] Mnemonic d Efecto Data Transfer, mem = M[RS1 + Sext(imm)] 100000 0x20 lb 1 RD = Sext(mem) 100001 0x21 lh 2 RD = Sext(mem) 100011 0x23 lw 4 RD = mem 100100 0x24 lbu 1 RD = 024mem 100101 0x25 lhu 2 RD = 016mem 101000 0x28 sb 1 mem = RD[7:0] 101001 0x29 sh 2 mem = RD[15:0] 101011 0x2b sw 4 mem = RD

  13. I-Type: Arithmetic, Logical Operation IR[31:26] Mnemonic d Efecto 001000 0x08 addi RD = RS1 + Sext(imm) 001001 0x09 addiu RD = RS1 + Sext(imm) (no overflow) 001010 0x10 subi RD = RS1 - Sext(imm) 001011 0x11 subiu RD = RS1 - Sext(imm) (no overflow) 001100 0x12 andi RD = RS1 Ù Sext(imm) 001101 0x13 ori RD = RS1 Ú Sext(imm) 001110 0x14 xori RD = RS1 Å Sext(imm) 001111 0x15 lhgi RD = imm016

  14. I-Type: Test Set Operation IR[31:26] Mnemonic d Efecto 011000 0x18 clri RD = (false ? 1 : 0) 011001 0x19 sgri RD = (RS1 > Sext(imm) ? 1 : 0) 011010 0x1a seqi RD = (RS1 = Sext(imm) ? 1 : 0) 011011 0x1b sgei RD = (RS1 ³ Sext(imm) ? 1 : 0) 011100 0x1c slsi RD = (RS1 < Sext(imm) ? 1 : 0) 011101 0x1d snei RD = (RS1 ¹ Sext(imm) ? 1 : 0) 011110 0x1e slei RD = (RS1 £ Sext(imm) ? 1 : 0) 011111 0x1f seti RD = ( true ? 1 : 0)

  15. I-Type: Control Operations IR[31:26] Mnemonic d Efecto 000100 0x04 beqz PC = PC + 4 + (RS1 = 0 ? Sext(imm) : 0) 000101 0x05 bnez PC = PC + 4 + (RS1 ¹ 0 ? Sext(imm) : 0) 000110 0x16 jr PC = RS1 000111 0x17 jalr R31 = PC + 4; PC = RS1

  16. Instrucciones J-Type • Las instrucciones J-Type son las que involucran saltos. PC <- PC31-28 IR25-0 00 Estas instrucciones modifican el program counter (PC)

  17. J-Type: Control Operation IR[31:26] Mnemonic Efecto 000010 0x02 j PC = PC + 4 + Sext(imm) 000011 0x03 jal R31 = PC + 4; PC = PC + 4 + Sext(imm) Link de referencia para las instrucciones del mip: • http://www.mrc.uidaho.edu/mrc/people/jff/digital/MIPSir.html

  18. Como opera el datapath con las instrucciones R-type. • En la primera fase la instruccion se leen los dos registros fuentes rs, rt desde el register file, direccionados por IR(25-21) y IR(20-16) respectivamente. Los registros fuentes son cargados en los registros A y B.

  19. La memoria de instrucciones es de 32 bits y la memoria de datos es de 32 bits • El datapath va a contener un register file compuesto por cuatro registros de 32 bits. • El control de las entradas del datapath viene dado por algunos campos del Instruction Register. Estos campos son IR(25-11) y IR(10-6).

  20. Como opera el datapath con las instrucciones R-type. • 2. En el siguiente ciclo la ALU realiza la operacion deseada sobre los registros A y B. Aqui la señal ALUOp=10 que en conjunto con el campo función que viene en IR(5-0) determina los 3 bits de control de la alu para seleccionar la funcion apropiada de la misma. • Esto se hace con el ALU control block • El resultado es automaitcamente cargado en ALUout Register en cada ciclo de clock

  21. Como opera el datapath con las instrucciones R-type. • En la ultima fase el contenido de ALUout es guardado en el registro destino. • Las señales de este ciclo son: MemtoReg=0, RegWrite=1. • Esto provoca que el registro destino rd direccionado por IR(15-11) sea escrito en el register file

  22. Implementacion • Primero diseñar los modulos individuales: • un registro de instrucción de 32 bits • Un register file de 32x32 • 4 to 1 de 32bit MUX con 2 señales de control (2 MUX) • 2 bit decoder y el write port para el Register File • Registros de 32 bits: A,B, ALuout

  23. Implementacion • Una ALU de 32 bits • El decoder de control de la ALU

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