< MIPS PIPELINE SIMULATOR >

팀원

20191582 김혜성, 20191588 마준영, 20191591 박근우

기능

• .s파일을 assemble하여 simulator에 적용
• directives 지원
• 사이클 단위 각 Component의 입력 값과 출력값 확인
• hazard detection과 forwarding
• 지원하는 명령어 : add, sub, and, or, lw, sw, beq, j

실행

실행환경

Python (Version : 3.10), Visual Studio Code

라이브러리

pygame, PyQt5

실행 방법

1. github 주소에서 zipfile을 자신이 지정한 local에 저장

2. 아래의 명령어로 필요한 라이브러리를 다운로드

pip install PyQt5

pip install pygame

3. 실행시킬 어셈블리 소스 코드(.s) 작성

4. main_handler.py 실행

python main_handler.py

6. 실행 시킬 코드 선택

사용법

• 오른쪽 방향키를 눌러 1 cycle 진행
• 마우스 포인터를 올려 Component의 값 확인
• Esc를 눌러 프로그램 종료

Testcase

(1)

.data 701
.word 0x12345678, 0x87654321
.byte 0x12, 0x34, 0x56, 0x78
.space 20
.half 0x09AB, 0xCDEF
.asciiz "star"
.byte 0x11
.word 0x32323232
.text
lw $s1, 0($gp)
beq $s1, $s2, L
add $s1, $s2, $s3
sub $s1, $s2, $s3
and $t1, $t3, $t8
L: or $s1, $s2, $s3
slt $s1, $s2, $s3  

(2)

.data  
.text  
main:  
lw $2, 4($3)  
beq $5, $6, L  
slt $6, $0, $1  
or $7, $8, $9  
add $8, $0, $9  

L: and $2, $8, $9

(3)

.data
.text
main:
lw $2, 4($3)  
sub $5, $3, $2
slt  $6, $2, $5
or   $7, $2, $6
and $2, $8, $

(4)

.data
.text
main:
add $2, $2, $4 
sub $5, $3, $2
slt  $6, $2, $5
or   $7, $2, $6
and $2, $8, $

(5)

.data
.text
main:
L: lw $s1, 0($gp)  
beq $s1, $s2, L
add $s1, $s2, $s1

(6)

.data 701
.word 0x12345678, 0x87654321
.byte 0x12, 0x34, 0x56, 0x78
.space 20
.half 0x09AB, 0xCDEF
.asciiz "star"
.byte 0x11
.word 0x32323232
.text
lw $s1, 0($gp)
beq $s2, $s3, L
L: add $t1, $t2, $t3
sub $t4, $t5, $t6
and $t5, $t7, $t8

(7) No Forwarding

.data 0x10008000
.word 0x00000001, 0x00000009
.text
main:
lw $1, 0($gp)
lw $2, 0($gp)
add $14, $1, $2
sw $14, 100($2)

(8) Double hazard

.data 0x10008000
.word 0x00000005, 0xffffffff
.text
main:
lw $2, 0($gp)
lw $3, 4($gp)
add $2, $3, $3
or $2, $3, $5
add $3, $2, $3

(9) Load-Use Data Hazard

.data 0x10008000
.word 0x0000000a, 0x00000003
.text
main:
lw $1, 0($gp)
lw $2, 4($gp)

slt $10, $1, $2

(10) MEM hazard

.data 0x10008000
.word 0x00000002, 0x00000001, 0x0000000d

.data
.text
main:
lw $2, 0($gp)
lw $3, 4($gp)
lw $12, 8($gp)
sub $2, $1, $3
and $12, $2, $3
or $1, $1, $2
sw $2, 100($gp)

(11) Stall for Branch Taken

.data 0x10008000
.word 0x00000002, 0x00000001

.text
main:
lw $2, 0($gp)
lw $1, 4($gp)
sub $2, $2, $1
beq $1, $2, m
add $2, $2, $1
m:
sub $2, $2, $1

(12) Stall for J

.data 0x10008000
.word 0x00000002, 0x00000001

.text
main:
lw $2, 0($gp)
lw $1, 4($gp)
j m
add $2, $2, $1
m:
sub $2, $2, $1

Main_Handler

• pygame screen (1920*1080) 생성
• test.s 소스코드에서 data memory 초기화 및 instrution assemble
• components 생성 및 초기화 (datamemory, pipeline, hazard detection unit ...)
• line 객체 생성
• 모든 객체 draw
• components들의 input output 값을 연결
• 오른쪽 방향키로 next_cycle() 수행
• 1 cycle 진행함
• 각 스테이지별로 연산 수행 후 다음 파이프라인 레지스터에 값 저장 or 종료
• 좌측 하단에 클락 사이클과 스테이지별로 실행중인 instruction 출력
• 레지스터 메모리 mouse_on() = True 일 때 레지스터 값 출력
• 데이터 메모리 mouse_on() = True 일 때 메모리 값 출력

Components

Interactive_Rect

사각형 부모 클래스

• Pipeline Register

각 파이프라인 별로 해당하는 레지스터를 저장하고 calculate 실행시 input에 있는 값을 output으로 옮긴다.

• Instruction Memory

init_memory(instruction_memory) 인스트럭션 메모리 생성후 실행되며 다음과 같은 형식의 딕셔너리를 인자로 받아 멤버 변수에 저장한다. instruction memory = {{pc1 : instruction1}, {pc2: instruction2}...} calculate() 함수 실행시에 해당하는 pc값 키값으로 instruction 메모리에서 찾고 키값이 존재하면 두 가지 output을 계산하는데, Decoded에 instruction을 16진수로 해석한 것을 저장하고 Fetched에는 instruction의 원본을 저장한다.

• Register Memory

init_registers() 함수가 Register Memory 생성시 실행되어 레지스터 값을 조건에 맞게 초기화한다. 레지스터는 모두 16진수 ((ex) 0x12345678) 형식을 갖추고 있다.

• calculate(flag) flag : {'Read', 'Write'}
• flag == 'Read'일 때, 각 레지스터 number인 Reg1와 Reg2에 해당하는 register 데이터 값을 읽어 output인 ReadData1 ReadData2에 저장한다.
• flag == 'Write'일 때, control signal인 RegWrite 1이면, write_reg에 해당하는 레지스터에 write_data 값을 저장한다. Write는 WB 스테이지보다 늦게 수행되도록 구현하여 Dependancy가 존재하더라도 포워딩이 필요하지 않다. RegWrite값이 0이면 아무 일도 일어나지 않는다.

• Data Memory

• init_memory(memory Data Memory 생성후 메모리를 초기화하는 함수이며 키값으로 주소값과 value로 데이터 값이 담긴 딕셔너리를 인자로 받는다. memory = {{'10008000' : 0x12345678}, {'100080004':0x87654321}}
• calculate() control signal은 MemWrite와 MemRead 두 가지가 있다. MemWrite == 1 일 때, memory에 멤버변수 Address에 해당하는 주소의 값에 멤버변수 WriteData 값을 little_endian 형식으로 저장한다. MemRead == 1 일 때, 멤버변수 Address에 해당하는 값을 메모리에서 찾아 little_endian 형식으로 데이터를 읽어서 output으로 저장한다. 컨트롤 시그널이 모두 0일 때는 아무 일도 일어나지 않는다.

• Program Counter

calculate() 함수 실행시, control signal PCWrite 값이 1일 경우 멤버변수 input에 저장된 pc값을 멤버변수 output에 저장한다. PCWrite 값이 0일 경우 아무 일도 일어나지 않는다.

Interactive_ellipse

타원 부모 클래스

• Concat unit

PC의 상위 4비트와 left shift된 28 비트를 이어붙인다. jump instruction을 위해 사용됨.

• EqualUnit

• calculate() 멤버변수인 첫 번째 인풋 값과 두 번째 인풋 값이 같은지 비교하여 output 값에 부울변수로 저장한다.

• ShiftLeft

• calculate() 멤버변수인 인풋 값에 '2' 만큼 shift 연산한 뒤 0xFFFFFFFF와 and 연산을 하여 1 word 단위로 확장시킨다.

• SignExtension

• calculate()
• 인풋의 16번째 비트가 1일 때 MSB 앞에 16비트를 모두 1로 이어붙여 1 word 단위로 SignExtension
• 인풋의 16번째 비트가 0일 때 MSB 앞에 16비트를 모두 0으로 이어붙여 1 word 단위로 SignExtension

InteractiveRoundRect

모서리가 둥근 사각형 부모 클래스

• SignalUnit

아래 Unit들의 부모 클래스

• ALUControlUnit

멤버변수인 op와 funct field의 값을 받아 위 ALU Control 진리표에 해당하는 Operation값을 Output에 저장한다.

• ControlUnit

Instruction을 받아 진리표 값에 알맞게 Control Signal을 설정하여 output에 저장한다.

• ExForwarding

alu의 input의 두 레지스터를 연산하는 과정에서 Dependancy에 따라 forwarding을 결정 forwanrdA와 forwardB가 있음

• IdForwarding

beq instruction을 위해 두 레지스터의 값이 같은지 비교하는 과정에서 Dependancy에 따라 forwarding을 결정 forwardA와 forwardB가 있음

• HazardDetection

Data Hazard for Branch

beq가 ID stage에서 계산되면서 생기는 특수한 Hazard

1. R-type 다음 beq

   (hazard_detection의 소스코드 중)
   elif self.inputs['Branch']['value'] and self.inputs['ID/EX.RegWrite']['value'] and \
           (self.inputs['ID/EX.rd']['value'] == self.inputs['IF/ID.rs']['value'] or \
               self.inputs['ID/EX.rd']['value'] == self.inputs['IF/ID.rt']['value']):
           value = 0

2. lw 다음 beq 기존의 load use hazard와 동일하게 처리할 수 있다.
3. lw 다다음 beq hazard detection이 EX/MEM Pipeline Register의 값도 확인해야 한다.

   (hazard_detection의 소스코드 중)
   elif self.inputs['Branch']['value'] and self.inputs['EX/MEM.MemRead']['value'] and \
           (self.inputs['EX/MEM.RegisterRd']['value'] == self.inputs['IF/ID.rs']['value'] or \
               self.inputs['EX/MEM.RegisterRd']['value'] == self.inputs['IF/ID.rt']['value']):
           value = 0

InteractiveTrapezoid

사다리꼴 부모 클래스

• SimpleAdder

alu의 부모 클래스

• ALU

alu op에 해당하는 산술 연산을 수행한다.

LogicGate

• AND Gate

• and 연산 수행

• OR Gate

• or 연산 수행

Multiplexer

• control signal에 해당하는 순서에 맞게 output을 결정한다.
• input이 두 개일 때 control signal은 1bit 세 개일 때 2bit

Other Part

Assembler

• 지원하는 지시자 : .data, .text, .asciiz, .ascii, .space, .byte, .half, .word
• .s file을 assemble하여 그 결과인 Instruction들과 Data들을 Instruction Memory와 Data Memory에 전달한다.
• word의 경우 4byte 단위로 align되고, Little Endian 방식으로 저장된다.
• First pass에서 Label의 주소를 결정하고, Second pass에서 데이터를 저장하고 기계어로 번역한다.

File Select

• PyQt5 라이브러리의 QFileDialog를 사용했다.
• 사용자가 선택한 어셈블리 소스 코드로 Assembler가 작업을 시작한다.

app = QApplication([])
filename, _ = QFileDialog.getOpenFileName(
    None,
    "Open File", "","Assembly Source Code (*.s)",
    )

ShowData

• Register Memory위에 마우스가 올라가면 32개의 Register의 값들을 화면에 출력한다.
• Data Memory위에 마우스가 올라가면 User Data segment를 spim 형식에 맞게 출력한다.
• 메모리를 16 단위 즉, 4 word 단위로 읽어 little endian으로 출력하고, 오른쪽에는 text로 변환하여 출력한다.

ShowProgress

• 현재 클락 사이클과 각 스테이지에서 실행되고 있는 instruction을 출력한다.
• 실행중 instruction이 필요시에 Nop로 바뀐다.