【龙芯杯日志】2021/2/17-2021/2/21：多周期CPU（Harris黑书架构）

2021/2/17

看Harris黑书，大概学习了多周期的架构，对于一些内容还不太熟悉，需要在实现的时候熟悉一下。

比较明显的是，Harris架构对数据和控制信号的分离做得比较好，有很明显的控制路径和数据路径。

2021/2/18

正式开始写多周期的代码，今天的主要任务是实现cpu内部的几个主要部件。

一天的密集开发之后，完成了pc、mem、ir、regfile、alu，剩下的非体系结构寄存器也已经完成了基本实现。

2021/2/19

开始实现cu，多周期的cu和单周期cpu的cu，最大区别在于控制信号是通过状态机而非普通的组合逻辑实现的。因此这里涉及到了状态机的写法。

在实现cu的同时发现了alu实现的一些问题，因为alu的实现照用了之前单周期cpu的alu实现，这里和Harris架构出现了一些不兼容的情况，针对这种情况进行了一些修改，但是修改之后仍然存在一些问题。

2021/2/20

开始实现cpu的布线，在布线过程中，对非体系结构寄存器的实现进行了修改，使用了一个通用的实现替代了原来的单独实现。同时，也比较明显地看出了和单周期相比，多周期引入了数个非体系结构寄存器，对整体结构的协调性确实产生了一些影响。而将这些非体系结构部件较为合理地组合进cpu架构中，就是流水线架构需要做的工作了。

布线过程中总结了一些心得体会，近期会整理成一篇文章。

编写了cpu的testbench，但是在编写过程中发现，由于Harris架构使用了指令数据不分离的冯诺依曼架构，原有的testbench需要进行修改，同时，用作测试的汇编代码也需要进行修改，此处修改了数据内存的地址，使其和指令地址错开。

2021/2/21

对整体代码进行调试，有了之前单周期cpu的经验，此处对cpu的调试相对较为简单，且调试过程中并未发现严重的逻辑问题。

经过5天，最终实现了一版Harris架构的cpu代码。总的来说，Harris架构的优点是控制路径和数据路径分离比较明显，结构和状态机实现比较严谨。比较可惜的是由于目前对vivado环境掌握还不熟练，无法进行比较准确的性能测试和对比，看不出多周期架构对比单周期的性能优势，之后会对相关的内容进行学习，并形成一篇文章。