Rocket - core - ALU

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简单介绍ALU的实现。

 

 

1. object ALU

 

ALU对象中定义了ALU要使用的一些常量和辅助方法。

 

1) 常量

 

a. SIZE_ALU_FN: 表示ALU操作类型的占用的宽度为4位；

 

需要注意的是，这个位数只是用来表示操作类型，而不是指令中的宽度。

比如ADDI指令中的func3域只占用3位，并且与SLTI/SLTU的值相同：

而FN_ADD/FN_SLT/FN_SLTI占用4位，并且有不同的值：

 

b. FN_ADD: 相加；

c. FN_SL: 左移；

d. FN_SR: 右移；

e. FN_SEQ: 相等时置位；

f. FN_SNE: 不相等时置位；

g. FN_SLT: 小于时置位；

h. FN_SGE: 大于等于时置位；

i. FN_SLTU: 小于(作为无符号数进行比较)时置位；

j. FN_SGEU: 大于等于(作为无符号数进行比较)时置位；

k. FN_XOR: 异或；

l. FN_OR: 按位或；

m. FN_AND: 按位与；

n. FN_SUB: 相减；

o. FN_SRA: arithmetic right shift，带符号右移；

p. 乘除法相关的类型：

在规范中描述如下：

 

2) 辅助方法

 

定义对操作类型进行判断的辅助方法：

其中：

a. isMulFN：判断是否乘法操作；

b. isSub：判断是否减法；

c. isCmp：判断是否比较操作；

d. cmpUnsigned：判断是否无符号数相比较；

e. cmpInverted：判断是否基本判断的相反判断，比如相等是基本判断，不等是相反判断：

f. cmpEq：是否相等判断；

 

2. class ALU

 

用于实现ALU的逻辑：

 

1) io

 

定义ALU模块的IO接口：

其中：

a. dw：数据宽度；

b. fn：功能类型；

c. in2：第二个操作数；

d. in1：第一个操作数；

e. out：输出结果；

f. adder_out：加法器输出；

g. cmp_out：比较结果输出；

 

2) ADD/SUB

 

实现ADD/SUB指令：

其中：

a. 根据操作类型是否是减法，确定io.in2是否需要取反；

b. 如果不是减法，则in2_inv等于io.in2，而io.adder_out是相加的结果；

c. 如果是减法，则使用取反加一的方法进行计算；

 

3) SLT/SLTU

 

实现SLT/SLTU操作的逻辑：

A. 首先，判断符号位是否相同，如果相同，则取决于io.adder_out的符号位。

此时io.adder_out中是什么呢？

从SLT/SLTU的定义可以看出：

其第3位都是1，也就是isSub为真：

所以，io.adder_out中的值为io.in1-in.in2的差值；

进而：

a. 如果差值为负数，其符号位为1，表明io.in1 < io.in2；

b. 如果差值非负数，其符号位为0，表明io.in1 >= io.in2；

 

B. 其次，如果io.in1和io.in2的符号位不同，则需要区分是否要把二者看做无符号数进行比较。

a. 如果按照无符号数进行比较，在二者符号不同的前提下，如果io.in2的符号位为1，则io.in2较大，less than为真；

b. 如果按照有符号数进行比较，在二者符号不同的前提下，如果io.in1的符号位为1，则io.in2较大，less than为真；

 

C. 先不考虑cmpEq，io.cmp_out := cmpInverted ^ slt，表示是否要把比较结果取反。

如果cmpInverted为1，则取反；为0，则不取反。

 

D. cmpEq的定义为：

表示cmd小于8，即：

可以看到slt/sltu都是大于8，所以cmpEq对slt指令的比较结果不影响。

 

小于8的操作类型里面，意义为比较的操作类型为：SEQ/SNE。其实现为：

a. 当io.fn为SEQ/SNE时，in1_xor_in2 = in1 ^ in2；

b. in1_xor_in2为0，表示in1和in2中的各个比特都相同，也就是二者相等；

c. 根据cmpInverted的值，决定判断结果是否需要取反；

 

E. 这里把cmpEq和slt混合在一起的原因，是为了复用cmpInverted的判断逻辑。

 

4) SLL/SRL/SRA

 

实现SLL/SRL/SRA操作：

A. shamt是shift amount的缩写，意指移位的数量；

B. 当xLen == 32时，移动的位数shamt最多为32位，所以取io.in2的低5位；被移位的数据为io.in1；

C. 当xLen != 32时，要求xLen必须是64，否则不支持。然后对io.in1进行补位处理：

a. SLL/SRL/SRA中只有SRA的值大于8，其对应的isSub为真：

如果是SL/SR，则可能用于补位的数据为32个0；

如果是SRA，则可能用于补位的数据取决于io.in1的符号位，如果其符号位是1，则补位32个1，如果其符号位为0，则补位32个0：

b. 如果io.dw为64位，则说明io.in1是64位的，不需要补位；如果不是，则需要使用shin_hi_32补位：

c. 如果操作的数据宽度为32位，则移位的最大位数为32位，忽略io.in2的第5位；如果操作的数据宽度为64位，则需要使用io.in2的第5位来确定移位的位数：

d. 返回移位数量和补位后的待移位数：

 

D. 使用Reverse把左移操作转变为右移操作：

a. 如果是右移操作，则不需要改变shin_r；

b. 如果不是右移操作，即是SLL操作，把shin_r逆序；

 

E. 把shin作为有符号数，向右移位，而后取移位结果的低xLen位：

其中：

a. asSInt把待移位数转变为SInt类型，调用其右移方法；有符号数的右移会补符号位；

b. Cat(isSub(io.fn) & shin(xLen-1), shin)用于为shin添加一个正确的符号位：

a) 如果不是SRA，则isSub为0，添加符号位0，对应逻辑移位应该以0补位；

b) 如果是SRA，则取决于shin的符号位，再补一个符号位不改变其值；

可以看到引入这段逻辑，不是为了b)，而是为了a)。

 

在a)中，isSub(io.fn) & shin(xLen-1)的结果是0，如果shin的符号位是0，则补位没有意义。可见这里补0是为了修正shin的符号位为1的情况。

在操作类型(io.fn)为SLL/SRL的情况下，这里有如下可能：

a.a. xLen == 32，io.fn == SRL，io.in1为负数；

a.b. xLen == 32，io.fn == SLL，io.in1最低位为1；

a.c. xLen == 64，io.dw == 64，io.fn == SRL，io.in1为负数；

a.d. xLen == 64，io.dw == 64，io.fn == SRL，io.in1最低位为1；

 

F. shout_r逆序之后为左移的结果：

 

G. 根据操作类型计算移位结果：

其中：

a. 如果操作类型为SR/SRA，则使用shout_r；

b. 如果操作类型为SL，则使用shout_l；

 

5) AND/OR/XOR

 

实现AND/OR/XOR操作：

其中：

a. 如果操作为XOR，则使用in1_xor_in2 = in1 ^ in2;

b. 如果操作为AND，则使用in1 & in2;

c. 如果操作为OR，则结果位(in1 ^ in2) | (in1 & in2)；(只有一个1的位，加上有两个1的位)；

 

6) 根据操作类型，决定shift_logic的取值：

因为操作类型同时只能去一个值，所以shift_logic的值，是从slt/logic/shout中选择一个。

 

7) 根据是否加减法操作，决定输出adder_out还是shift_logic：

 

8) 结果从io.out输出：

 

9) 根据xLen及操作的数据宽度，决定是否需要对结果进行补位：