Ασκηση 8.1: Προσθήκη των Εντολών που λείπουν

• addi, slti: Οι εντολές αυτές μοιάζουν με τις add και slt, αλλά ο δεύτερος τελεστέος τους είναι το Immx και όχι ο καταχωρητής B. Επίσης, καταχωρητής προορισμού είναι ο rt και όχι ο rd. Αρα, θα χρειαστούν αλλαγές στο κύκλωμα ελέγχου γιά να μπορεί να τις εκτελεί. Αν επιμείνετε να έχετε μόνο σήματα τύπου Moore, θα χρειαστούν νέες καταστάσεις, γιατί ο τρίτος και ο τέταρτος κύκλος της εκτέλεσης διαφέρουν από τις εντολές ALU με format τύπου R. Πιό απλή θα είναι η υλοποίηση με σήματα Mealy, αλλά προσέξτε ότι δεν σας αρκούν πλέον το state και το funct --χρειάζεστε και το op.
• lui: Η εντολή lui (load upper immediate) χρησιμοποιείται γιά να φέρει μιά αυθαίρετη 16μπιτη σταθερά στο MS μέρος ενός καταχωρητή, και περιγράφεται στη σελίδα 146 του βιβλίου. Δεν είναι εντολή μνήμης (παρά το όνομα "load") --είναι έντολή λογικής/ολίσθησης με format τύπου I. γιά να την υλοποιήσετε πρέπει να προσθέσετε στο datapath ένα δρόμο που να μπορεί να φέρει το Imm16 στο περισσότερο σημαντικό (MS) ήμισυ μιάς λέξης. Ο δρόμος αυτός μπορεί να περνάει από την ALU ή να την παρακάμπτει. Φυσικά, χρειάζονται και οι αντίστοιχες προσθήκες στον έλεγχο.
• bne: μοιάζει με την beq που ήδη έχετε, αλλά η συνθήκη διακλάδωσης είναι αντεστραμένη.
• jr, jal: Οι εντολές αυτές μοιάζουν με την j (jump) που ήδη έχετε, αλλά χρειάζονται νέοι δρόμοι στο datapath γιά να μπορεί να περάσει ο καταχωρητής regA μέχρι τον PC (jr), ή ο (ήδη αυξημένος κατά 4) PC να μπορεί να γραφτεί στο αρχείο καταχωρητών (jal).

Ασκηση 8.2: Προσθήκη Εξαιρέσεων

• Παράνομη Εντολή (Illegal Instruction): Στη διάρκεια του 2ου κύκλου κάθε εντολής, δηλαδή κατά την κατάσταση i_decode, εάν ο έλεγχος διαπιστώσει ότι ο συνδυασμός op-funct δεν αντιστοιχεί σε καμία από τις εντολές που ο επεξεργαστής μας ξέρει να εκτελεί (αυτές των ασκήσεων 7 και 8.1), θέτει σε 1 το bit [1] του καταχωρητή cause, και μεταβαίνει, σαν επόμενη κατάσταση, στην κατάσταση exception_st.
• Παραβίαση Ευθυγράμμισης (Alignment Violation): Στη μνήμη του MIPS, όλες οι λέξεις (32 bits) πρέπει να έχουν διεύθυνση που να είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του 4, δηλ. τα 2 LS bits να είναι μηδέν (περιορισμός ευθυγράμμισης). Το δικό μας υποσύνολο του MIPS προσπελαύνει πάντα λέξεις (32 bits) όποτε προσπελαύνει τη μνήμη, και αυτό το κάνει σε 3 περιπτώσεις: ανάγνωση εντολής (i_fetch), ανάγνωση δεδομένων (4ος κύκλος της lw), ή εγγραφή δεδομένων (4ος κύκλος της sw). Κατά τη διάρκεια αυτών των τριών καταστάσεων (κύκλων), το κύκλωμα ελέγχου παρακολουθεί τη διεύθυνση ma που δίδεται στη μνήμη: εάν τα 2 LS bits αυτής της διεύθυνσης δεν είναι 00, τότε, στο τέλος του κύκλου, φορτώνει στα bits [3:2] του καταχωρητή cause τον κώδικα:
  • 01 αν κάνουμε ανάγνωση εντολής (i_fetch), ή
  • 11 αν κάνουμε ανάγνωση δεδομένων (4ος κύκλος της lw), ή
  • 10 αν κάνουμε εγγραφή δεδομένων (4ος κύκλος της sw),
  και μεταβαίνει, σαν επόμενη κατάσταση, στην κατάσταση exception_st. Παρατηρείστε ότι η "κακιά" προσπέλαση μνήμης έχει ήδη γίνει, αλλά θεωρούμε ότι η μνήμη έχει αρκετή δική της προστασία ώστε ή να αρνηθεί να εκτελέσει την παράνομη προσπέλαση ή να αγνοήσει τα 2 μη μηδενικά LS bits της διεύθυνσης.
• Σφάλμα Σελίδας Μνήμης (Page Fault): Σ' έναν πραγματικό υπολογιστή MIPS με εικονική μνήμη (virtual memory), όπως θα μάθουμε αργότερα, ορισμένες διευθύνσεις μνήμης αντιστοιχούν σε "σελίδες" (pages) που βρίσκονται στην κύρια μνήμη, ενώ άλλες όχι. Κάθε προσπέλαση σε απούσα σελίδα μνήμης προκαλέι μιάν εξαίρεση γνωστή σαν "σφάλμα σελίδας" (page fault). Στον δικό μας επεξεργαστή των ασκήσεων 6 και 7, η μνήμη έχει μόνο 1024 λέξεις, στις χαμηλές διευθύνσεις, άρα γιά μας σφάλμα σελίδας θα είναι κάθε προσπέλαση σε διεύθυνση μνήμης μεγαλύτερη ή ίση του 4096 (1024 λέξεις = 4096 bytes). Επιπλέον, ο επεξεργαστής μας θα θεωρεί σφάλμα σελίδας κάθε προσπέλαση στη διεύθυνση μνήμης 0, ούτως ώστε να μην περνάν απαρατήρητες οι παράνομες προσπελάσεις μνήμης μέσω NULL pointers (άρα, διεύθυνση εκκίνησης του PC δεν μπορεί να είναι η 0).
  Τα σφάλματα σελίδας μπορούν να εμφανιστούν στις ίδιες καταστάσεις (κύκλους) όπως και οι παραβιάσεις ευθυγράμμισης που είδαμε παραπάνω, και μάλιστα μπορεί να εμφανιστούν και ταυτόχρονα με εκείνες. Ετσι, η ανίχνευση και η αντίδραση θα είναι κοινή γιά αυτούς τους δύο τύπους εξαιρέσεων. Τα σφάλματα σελίδων, όταν συμβαίνουν, θα φορτώνουν στα bits [5:4] του καταχωρητή cause τον κώδικα 01, ή 11, ή 10, κατ' αντιστοιχία με τις παραβιάσεις ευθυγράμμισης (i_fetch, lw, sw, αντίστοιχα), και θα μεταβαίνουν, σαν επόμενη κατάσταση, στην κατάσταση exception_st. Παρατηρείστε ότι η "κακιά" προσπέλαση μνήμης έχει ήδη γίνει, αλλά θεωρούμε ότι η μνήμη έχει αρκετή δική της προστασία ώστε να αρνηθεί να εκτελέσει την προσπέλαση όταν η διεύθυνση αναφέρεται σε απούσα λέξη.

Στην κατάσταση exception_st πρέπει πρώτον να αποθηκεύσουμε τη διεύθυνση της "κακιάς" εντολής στον καταχωρητή epc, και δεύτερον να φορτώσουμε στον pc τη διεύθυνση όπου ξεκινά ο interrupt handler. Η διεύθυνση της "κακιάς" εντολής είναι το περιεχόμενο του pc μείον 4 (αφού ο αρχικός pc είχε ήδη αυξηθεί κατά 4). Την αφαίρεση αυτή, "μείον 4", θα την κάνει η ALU στη διάρκεια της κατάστασης exception_st (προσέξτε όμως ότι στο σχήμα 5.48 (σελ. 414) του βιβλίου ο epc κακώς παίρνει είσοδο δεδομένων από τον ALUout --έπρεπε να παίρνει από το ALUresult, προκειμένου η εγγραφή σε αυτόν να γίνεται στο τελος του κύκλου exception_st). Οσο γιά τη διεύθυνση όπου ξεκινά ο interrupt handler, στον μεν κανονικό MIPS αυτή είναι η 32'h80000080, στην δε δική μας περίπτωση θα την κάνουμε να είναι η 32'd2048, προκειμένου αυτή να πέφτει μέσα στην υλοποιημένη μνήμη (στη μέση της).

Ασκηση 8.3: Πλήρες Debugging

Παραδώστε, όπως και στις προηγούμενες ασκήσεις, τον αλλαγμένο κώδικά σας "datapath8.v", "control8.v", και το test bench "test8.v", όπως τελικά τα διαμορφώσατε, και ένα χαρακτηριστικό στιγμιότυπο από το Signalscan της άσκησης 8.3 με ένα από τα πλέον πολύπλοκα tests (σε μορφή jpeg ή gif), πακεταρισμένα στο αρχείο "ask8.tar.gz", μέσω:

        tar -cvf ask8.tar datapath8.v control8.v test8.v signals8.gif
        gzip ask8.tar
        ~hy225/bin/submit 8

Προαιρετική Ασκηση 8.4: Βελτιστοποίηση Εντολών Αλματος