第一次自幹CPU就上手

動機

• 主因: 不知道為何撞到腦袋，在大四下學期放棄了中央軟工所，然後在工作兩年後覺得應該到研究所補足一些做研究的訓練。並且很驚恐的在八月底發現，通常十月是研究所推甄的日子，由於在學成績低空飛過慘不忍睹，只好用作品補足以證明大學四年沒有白念白混。所以九月工作時間之餘，剩下時間全都拿來衝刺作品，剛好之前手癢買了《自己動手寫CPU》這本書，就按照書本從頭實作一遍MIPS指令集的CPU，也當作對大學課程的複習(其實是怕推甄沒上還要考試先念起來放)
• 次因: 某天(2017/10/05)在看 jserv 的直播《現代處理器原理和關鍵特徵 (下)》的時候，jserv 在解釋一些處理器觀念後在聊一些計算機組織課程的話題，突然說一句「做不到那個強度就不是本科」。所以為了當一名合格的資工系本科畢業學生，只好找本書來參考，寫一個軟核心的CPU，並且嘗試porting一個作業系統到FPGA板子上。
• 不是要黑 jserv，只是「做不到那個強度就不是本科」這句話讓我想認真挑戰能不能自幹一個基礎的MIPS(謎之聲:你只是想玩梗吧XD)

每篇實作心得連結

雖然是照著別人的東西再做一遍，但還是會踩到地雷，所以每一篇都會特別紀錄哪些觀念花比較多時間理解。

1. 第一次用pipeline就上手及CPU第一條指令ori
2. 身為一個CPU，會邏輯跟位移運算也是很正常的
3. 至高移動指令
4. 算術要做什麼？有沒有空？可以來實做嗎？
   1. 簡單算術實做
   2. 在單一週期內尋求暫停管線是否搞錯了什麼？
   3. 給我一個零點，除法可以舉起(raise)一個例外
5. 跳躍吧！分支
6. 不能操作記憶體的CPU沒有使用的必要
   1. S/L大法
   2. S/L大法2 - RMW
7. Coprocessor 是什麼，能吃嗎？
8. 例外與中斷的慘烈修羅場
9. 是匯流排，我在CPU裡加了匯流排

疑惑

照著書本實作還是會有疑惑，所以在這底下補上(如果已弄懂會在底下更新)

• Q: AluOp到底是怎麼決定的？《自己動手寫CPU》中只有提到每個指令的opcode，卻沒有特別說明，AluOp如何產生。(最雷的是《計算機組織與設計》上說詳細請參考附錄D，結果附錄只有A, B, F) - 2018/09/02 新增 A:

  1. 重讀《計算機組織與設計》關於AluOp的設計才弄懂。因為MIPS32的功能設計有AND, OR, add, subtract, set on less than, NOR，至少需要3 bits才能表示。加上function field的5 bits，總共8 bits。這應該就是《自己動手寫CPU》的 AluOp 共8 bits的原因，至於function field的編碼不知道是作者遵守OpenMIPS的規則還是自己編的。 - 2018/09/04 更新
  2. 趁開學日跑去請教(煩)以前的教授這個問題，AluOp 有幾個 bits 是在 Instruction Set Architecture(ISA) 決定的時候就決定好的，而 MIPS32 在 ISA 決定好的時候，AluOp 最少需要 8 bits。覺得基礎忘光了很慚愧QQ - 2018/09/10 更新

• Q: 好奇《自己動手寫CPU》的作者在page.7-41的程式碼，為什麼不要在前面的第二段就決定stallreq，反而還要特別弄一個變數stallreq_for_madd_msub出來？ - 2018/09/06 新增

  // 第三段: 暫停管線
  always @ (*) begin
      stallreq = stallreq_for_madd_msub;
  end

  A: 實作到後面章節回頭看才發現作者的做法比較好，因為加入除法後的程式變成以下這樣

  always @ (*) begin
      stop_all_req_from_ex = stop_all_req_for_madd_msub || stop_all_req_for_div;
  end

  這樣的做法可以把累加跟除法的暫停分開實作，最後在同一個地方彙整，不用在整個程式放滿stop_all_req_from_ex <= stop_all_req_for_madd_msub || stop_all_req_for_div;，在程式的維護上會比較方便 - 2018/09/15 更新

參考書本

• 自己動手寫CPU
• 計算機組織與設計
• 作者微博 - 自己动手写CPU系列