ALU模块设计

• 该文章主要记录ALU-DMA系统设计中ALU的设计点。

1. ALU_TOP架构

• 主要包含四个模块
  • ALU_RF：主要由一个深度为16，宽度为32bits的双端口RAM组成。主要用于存放ALU中操作数。
  • ALU_EXEC：主要根据输入的inst进行运算，执行乘法、加法，减法，与，或，异或，异或非等运算。
  • ALU_FIFO：主要用于缓存ALU_SLAVE输出的指令以及ALU_EXEC输出的运算结果。
  • ALU_SLAVE：根据ALU_TOP的输入s_din和s_addr以及一些控制信号s_sel等，产生其它模块的控制信号，以及ALU_TOP层的数据输出和中断。

2. ALU_SLAVE

• s_addr设置不同的值，s_din输入值所代表含义如下。

• 根据s_addr和s_sel,s_wr信号进行RF模块的读写、FIFO中reslut的读操作和inst的写操作。
• 根据s_addr和s_in的值产生一些状态控制信号如：op_start,opdone_clear，以用于ALU_EXEC中；还有中断信号s_interrupt。

3. ALU_RF

• 该模块有3个读地址和1个写地址；
• 写
  • 写相关信号由ALU_SLAVE提供，主要根据s_addr判断为读写寄存器模式，根据s_wr判断是写/读。对于写，SLAVE提供写地址、写数据以及写使能信号。
  • RF内部根据waddr进行译码&写使能信号，选通寄存器，进行写入。
• 读
  • 读地址根据来源分为两种，一种为ALU_SLAVE发出的，读出数据直接输出ALU_TOP；另一种为ALU_EXEC发出的，读出数据作为ALU运算的操作数。
  • 前者，根据SLAVE的读写使能信号we以及raddr进行读取数据。至于为什么要设计直接读出寄存器值的功能，我认为是为了在系统工作异常时可以检测RF模块是否出错。
  • 后者，根据EXEC模块给的rd_en和rADDR1、rADDR2来取数据。

4. ALU_EXEC

• 首先介绍3中的rd_en信号和rADDR1、rADDR2。
  • rd_en是由EXEC中next_state判断的，当下一状态是MUL/EXEC时，需要准备好运算的操作数，所以将RF的读使能信号拉高。
  • 两个操作数的地址是根据inst进行译码得到的，不仅可以得到操作数地址，还可以得到位移量shamt，以及执行那个运算的操作码opcode。主要映射关系如下代码所示：

  assign opcode = inst[13:10];
  assign opAaddr = inst[9:6];
  assign opBaddr = inst[5:2];
  assign shamt = inst[1:0];
  

• ALU_EXEC中主要进行读取指令，运算，输出结果等操作，通过状态机来实现。
  • 首先判断FIFO的rd_err_result、wr_err_inst信号是否拉高，两者分别为SLAVE读FIFO的result和向FIFO中写inst信号，如果SLAVE与FIFO的交互发生问题，那么需要将状态拉到FAULT。
  • IDLE：起始状态，什么都不做；从该状态跳出进入INST_POP1需要使用ALU_SLAVE提供的op_start信号。
  • INST_POP1：该状态主要做的任务是处理从FIFO中读出指令。
    • （1）首先如果FIFO反馈的rd_err_inst信号拉高，即读指令发生问题，那么状态会跳到FAULT中，不继续操作。
    • （2）如果FIFO反馈的rd_ack_inst信号拉高，即从FIFO中读出新的指令，那么根据opcode分为三种情况：NOP：没有操作、MUL：乘法操作、EXEC：基础运算操作。
    • （3）如果rd_ack_inst信号如果为0，说明没有读到，便仍在INST_POP1阶段。
  • NOP: 没有操作停留一周期，直接跳到INST_POP2状态，再次读取指令。
  • EXEC：在此前一阶段，已经拿到了操作数A,B；在这阶段花一个周期计算，并跳转到RESULT_PUSH1状态。
  • MUL：直到mul_done信号被拉高，表示乘法运算结束后，跳到RESULT_PUSH1状态。否则没计算完成，保持MUL状态。
  • RESULT_PUSH1：判断向FIFO中写result是否出错，如果wr_err_result拉高，状态跳到FAULT。如果没有出错，则会跳到RESULT_PUSH2阶段。
  • RESULT_PUSH2：下一状态为INST_POP2.需要连续两个RESULT_PUSH阶段，我认为是因为EXEC和MUL阶段输出结果为64bit，需要分两个周期（每周期能传输32bit数据，所以划分了两个连续状态）传输一个完整的数据。
  • INST_POP2：
    • 这一步再次判断rd_err_inst是否被拉高，如果被拉高，说明FIFO中所有指令都被读取完毕，那么执行结束，进入EXEC_DONE状态。区分于INST_POP1中的（1），那次的rd_err_inst判断是最开始读指令时，防止FIFO设计错误，或ALU_SLAVE写入inst错误，导致FIFO中为空；若最开始检测没有问题，那么rd_err_inst的再次拉高就证明时FIFO中的指令都被读完，而不是设计错误.
    • 如果rd_err_inst未被拉高，则再次进入INST_POP1的步骤（2）（3）。
  • EXEC_DONE：如果opdone_clear信号被拉高，则状态机回到最开始的状态IDLE。如果未被拉高，则一直保持执行完毕的状态。
  • FAULT：错误阶段，停留在该阶段，还没有写跳出FAULT的处理，会导致死循环。
• ALU_calculation
  • 首先需要对输入的两个操作数opA和opB做符号扩展，得到opA_s和opB_s，由32bits扩展为64bits。之后用opA_s和opB_s做EXEC中的操作。并根据op_code将计算后的值赋值给64bits的temp变量。
  • 对result的赋值，首先在RESULT_PUSH1阶段将temp的高32bit符号位给出，这个阶段会首先判断FIFO是否已经满了，如果满了还要往里面写，就会跳转到FAIL状态。如果FIFO没满，还可以继续写.高32bit和低32bit分两个周期给出。
    
• ALU_multiplier
  • 具体的运算实现，后续文章介绍。

5. ALU_FIFO

• 模块包括指令INST_FIFO和运算结果RESULT_FIFO。
• INST_FIFO
  • 对于inst的读取，需要拿到ALU_EXEC的读使能信号rd_en_inst.
    • 在ALU_EXEC模块中，只有state为INST_POP1或INST_POP2时，rd_en_inst = 1.
  • 对于inst的写入，需要拿到ALU_SLAVE输出的写使能信号wr_en_inst.主要由s_addr决定是否为指令写模式。
• RESULT_FIFO
  • 输入来自于ALU_EXEC的计算结果result输出；FIFO输出作为ALU_SLAVE的输入，内部mux选通输出到s_dout.
  • 对于FIFO中result的读取，需要拿到ALU_SLAVE的读使能信号rd_en_result.在s_addr[7:0]= 4时，拉高读使能信号。
  • 对于FIFO中result的写入，需要拿到ALU_EXEC的写使能信号wr_en_result，在state为RESULT_PUSH1和RESULT_PUSH2时，拉高写使能信号。
• FIFO具体设计以及对满，空的处理后续文章介绍。