7. 新增M扩展指令集

引言

要实现RISC-V的定制或扩展指令，需要从三个方面入手：
（1）定义指令集，确保兼容已有实现的指令编码；
（2）修改软件，主要涉及riscv-gnu-toolchain工具包中的GCC和binutils工具；
（3）修改硬件，主要包括对流水线功能部件的改动和扩充。

MDU 模块的功能是完成乘法、除法、取余相关的运算。

指令位配置

根据有无符号和位数的不同，最终产生了8条相关指令：

指令	行为
mul	有符号数相乘，保存较低的 32 位
mulh	有符号数相乘，保存较高的 32 位
mulhsu	有符号数乘无符号数，保存较高的 32 位
mulhu	无符号数相乘 ，保存较高的 32 位
div	有符号数相除
divu	无符号数相除
rem	有符号数取余
remu	无符号数取余

针对除法

还需要考虑异常情况下的输出规定，比如在除以0和除法溢出时的处理。

条件	被除数	除数	divu	remu	div	rem
除以0	x	0	$2^{xlen-1}$	x	-1	x
溢出(有符号)	$-2^{xlen-1}$	-1			$-2^{xlen-1}$	0

目标

• 在riscv-mini的基础上新增MDU模块
• 编写程序，验证功能。

内容

1. 修改数据通路，新增MDU模块

2. 重新编译VTile, 测试指令，观察仿真波形，验证功能。

3. 扩展实验: 新增comb指令

comb rs1,rs2,rd

• 类型：R型，
• 功能： 将rs1高16位和rs2低16位拼接成32位，保存到rd

步骤

1. 常量模块补充MDU单元

八条指令理论上只需要3bit的信号即可识别，添加MDU_XXX是为了表示非MDU指令

MDU常量单元

object Mdu {
 val MDU_FUN_LEN = 4
 val MDU_XXX = 0.U(MDU_FUN_LEN.W)
 val MDU_MUL = 1.U(MDU_FUN_LEN.W)
 val MDU_MULH = 2.U(MDU_FUN_LEN.W)
 val MDU_MULHSU = 3.U(MDU_FUN_LEN.W)
 val MDU_MULHU = 4.U(MDU_FUN_LEN.W)
 val MDU_DIV = 5.U(MDU_FUN_LEN.W)
 val MDU_DIVU = 6.U(MDU_FUN_LEN.W)
 val MDU_REM = 7.U(MDU_FUN_LEN.W)
 val MDU_REMU = 8.U(MDU_FUN_LEN.W)
}

2. 执行阶段

参考手册上对于MDU各个指令的运算规则

指令	运算规则	表达式
MUL	执行 rs1，rs2 的乘法操作，忽略算术溢出，只将低 XLEN 位的值写入 rd 寄存器中	(op1.asSInt * op2.asSInt)(31, 0)
MULH	执行 rs1，rs2 的乘法操作，但在执行操作之前，需要将 rs1，rs2 分别进行 2 倍 XLEN 位的有符号数扩展，将计算结果的高 XLEN 位写入 rd 寄存器	(op1.asSInt * op2.asSInt)(63, 32)
DIV	执行 rs1/rs2 操作，结果写入寄存器。在执行除法操作前，将 rs1，rs2 寄存器进行 XLEN 位的有符号数扩展	(op1.asSInt / op2.asSInt)(31, 0) 当除数为0 为(-1.S(32.W)).asUInt
DIVU	与 DIV 类似，但在执行除法操作前，将 rs1，rs2 进行 XLEN 位的无符号位扩展	op1.asUInt / op2.asUInt 当除数为 0 为(-1.S(32.W)).asUInt
MULHU	与 MULH 类似，但在执行乘法指令之前，将rs1，rs2 进行 2 倍 XLEN 位的无符号数扩展	(op1.asUInt * op2.asUInt)(63, 32)
MULHSU	和 MULH 指令类似，但在执行乘法指令之前， 将 rs1 进行 2 倍 XLEN 位的有符号数扩展，将 rs2 进行 2 倍 XLEN 位的无符号数扩展	(op1.asSInt * op2.asUInt)(63, 32)
REM	执行 rs1%rs2 操作，将结果写入 rd 操作，但在执行取余操作之前，将 rs1，rs2 进行 XLEN 位的有符号数扩展	(op1.asSInt % op2).asUInt 当除数为 0 为 op1
REMU	和 REM 指令类似，但在执行取余操作之前，将 rs1，rs2 进行 XLEN 位的无符号数扩展	op1 % op2 当除数为 0 为 op1