MIPS com Pipeline

Implementação do MIPS com pipeline, em Verilog, para trabalho prático da disciplina de Organização de Computadores II, da Universidade Federal de Viçosa - Campus Florestal.

Diagrama do Circuito

Instruções do MIPS

Nesta implementação do caminho de dados do MIPS, feita com pipeline, é oferecido suporte a 18 instruções: add, addi, and, beq, bne, j, jal, jr, lui, lw, or, ori, sub, sll, slt, sra, srl, sw. Qualquer instrução presente num programa que não estiver entre essas possuem resultado totalmente imprevisto.

Como utilizar

Para rodar qualquer programa neste caminho de dados, basta trocar o arquivo program.txt pelo programa que se pretende rodar. Ele deve estar em binário, com cada uma das linhas correspondendo a uma instrução, da mesma forma como é a saída do programa MARS Mips Simulator na opção "Binary Text". Ex.: 00000001000100001000100000100000 fará executar a instrução add $s1, $t0, $s0.

Se desejar inicializar a memória de dados com valores, basta trocar o arquivo data.txt pelos dados que se pretende inserir. Cada linha corresponde a uma posição na memória e deve estar em hexadecimal, sem o prefixo 0x, apenas os 8 dígitos hexadecimais. Ex.: FFFFFFC0 vai armazenar o valor -64 na memória.

Além disso, a quantidade de ciclos de clock necessários para rodar um programa varia bastante devido aos jumps e branches, portanto, para garantir que o programa rode por completo, use alguma ferramenta para saber quantas instruções são executadas até que ele se complete (o MARS disponibiliza isso em Tools -> Instruction Counter) e, dentro o arquivo sim.v, altere o tempo de espera do comando $finish para o dobro da quantia contada, na linha 123.

Memória

Nesta implementação, a memória de instruções está configurada para 1 MB, comportando 256 palavras/instruções e a memória de dados está configurada para 4 MB, comportando 1024 palavras/instruções.

Se for desejado expandir essa capacidade, é necessário realizar algumas alterações (lembrando que os dois bits menos significativos, no endereçamento por palavra, são sempre 00, pois o endereço é sempre múltiplo de 4):

• Instruções: para suportar N instruções, deve-se mudar a quantia da array de registradores para [N - 1 : 0], e os bits do endereço que devem ser utilizados são [log2(N) + 1 : 2]. Ex.: Para 512 instruções, array de [511:0] e endereço [10:2] (log2(512) + 1 = 9 + 1 = 10).
• Dados: para armazenar N valores (de 32 bits), deve-se mudar a quantia da array de registradores para [N - 1 : 0], e os bits do endereço que devem ser utilizados são [log2(N) + 1 : 2]. Além disso, dentro do arquivo do banco de registradores, na parte de inicialização, deve-se mudar o valor do stack pointer (registrador $sp ou $29), pois ele sempre aponta para o topo da pilha, que, no início de qualquer programa, é o último endereço da memória. Sendo assim, o novo valor de inicialização do stack pointer deve ser (N - 1) * 4. Ex.: Para 4096 valores, array de [4095:0] e endereço [13:2] (log2(4096) + 1 = 12 + 1 = 13), stack pointer deve ser iniciado em 32'h00003FFC.