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除法指令的实现过程有点长，分两篇博文介绍，今天是第一篇。
7.12 修改OpenMIPS以实现除法指令
7.12.1 增加DIV模块
DIV模块的接口如图7-17所示，各接口的含义如表7-5所示。
DIV模块的主要部分是一个状态机，共有四个状态，如下，状态转换如图7-18所示。
- DivFree：除法模块空闲
- DivByZero：除数是0
- DivOn：除法运算进行中
- DivEnd：除法运算结束
复位的时候，DIV模块处于DivFree状态，当输入信号start_i为DivStart，且输入信号annul_i为0时，表示除法操作开始。
- 如果除数opdata2_i为0，那么进入DivByZero状态，直接给出除法结果，这里设置为0，余数也为0，然后进入DivEnd状态，并通知EX模块除法运算结果得到，后者会设置DIV模块的输入信号start_i为DivStop，除法运算结束。
- 如果除数opdata2_i不为0，那么进入DivOn状态，使用试商法，经过32个时钟周期，得出除法结果，然后进入DivEnd状态，并通知EX模块除法运算结果得到，后者会设置DIV模块的输入信号start_i为DivStop，除法运算结束。
DIV模块的代码如下，源文件是本书附带光盘Code\Chapter7_3目录下的div.v。
module div(
input wire clk,
input wire rst,
input wire signed_div_i,
input wire[31:0] opdata1_i,
input wire[31:0] opdata2_i,
input wire start_i,
input wire annul_i,
output reg[63:0] result_o,
output reg ready_o
);
wire[32:0] div_temp;
reg[5:0] cnt; //记录试商法进行了几轮，当等于32时，表示试商法结束
reg[64:0] dividend;
reg[1:0] state;
reg[31:0] divisor;
reg[31:0] temp_op1;
reg[31:0] temp_op2;
//dividend的低32位保存的是被除数、中间结果，第k次迭代结束的时候dividend[k:0]
//保存的就是当前得到的中间结果，dividend[31:k+1]保存的就是被除数中还没有参与运算
//的数据，dividend高32位是每次迭代时的被减数，所以dividend[63:32]就是图7-16
//中的minuend，divisor就是图7-16中的除数n，此处进行的就是minuend-n运算，结
//果保存在div_temp中
assign div_temp = {1'b0,dividend[63:32]} - {1'b0,divisor};
always @ (posedge clk) begin
if (rst == `RstEnable) begin
state <= `DivFree;
ready_o <= `DivResultNotReady;
result_o <= {`ZeroWord,`ZeroWord};
end else begin
case (state)
//******************* DivFree状态 ***********************
//分三种情况：
//（1）开始除法运算，但除数为0，那么进入DivByZero状态
//（2）开始除法运算，且除数不为0，那么进入DivOn状态，初始化cnt为0，如
// 果是有符号除法，且被除数或者除数为负，那么对被除数或者除数取补码。
// 除数保存到divisor中，将被除数的最高位保存到dividend的第32位，
// 准备进行第一次迭代
//（3）没有开始除法运算，保持ready_o为DivResultNotReady，保持
// result_o为0
//***********************************************************
`DivFree: begin // DivFree状态
if(start_i == `DivStart && annul_i == 1'b0) begin
if(opdata2_i == `ZeroWord) begin
state <= `DivByZero; // 除数为0
end else begin
state <= `DivOn; // 除数不为0
cnt <= 6'b000000;
if(signed_div_i == 1'b1 && opdata1_i[31] == 1'b1 ) begin
temp_op1 = ~opdata1_i + 1; // 被除数取补码
end else begin
temp_op1 = opdata1_i;
end
if(signed_div_i == 1'b1 && opdata2_i[31] == 1'b1 ) begin
temp_op2 = ~opdata2_i + 1; // 除数取补码
end else begin
temp_op2 = opdata2_i;
end
dividend <= {`ZeroWord,`ZeroWord};
dividend[32:1] <= temp_op1;
divisor <= temp_op2;
end
end else begin // 没有开始除法运算
ready_o <= `DivResultNotReady;
result_o <= {`ZeroWord,`ZeroWord};
end
end
//******************* DivByZero状态 ********************
//如果进入DivByZero状态，那么直接进入DivEnd状态，除法结束，且结果为0
//***********************************************************
`DivByZero: begin //DivByZero状态
dividend <= {`ZeroWord,`ZeroWord};
state <= `DivEnd;
end
//******************* DivOn状态 ***********************
//分三种情况：
//（1）如果输入信号annul_i为1，表示处理器取消除法运算，那么DIV模块直
// 接回到DivFree状态。
//（2）如果annul_i为0，且cnt不为32，那么表示试商法还没有结束，此时
// 如果减法结果div_temp为负，那么此次迭代结果是0，参考图7-16；如
// 果减法结果div_temp为正，那么此次迭代结果是1，参考图7-16，dividend
// 的最低位保存每次的迭代结果。同时保持DivOn状态，cnt加1。
//（3）如果annul_i为0，且cnt为32，那么表示试商法结束，如果是有符号
// 除法，且被除数、除数一正一负，那么将试商法的结果取补码，得到最终的
// 结果，此处的商、余数都要取补码。商保存在dividend的低32位，余数
// 保存在dividend的高32位。同时进入DivEnd状态。
//***********************************************************
`DivOn: begin //DivOn状态
if(annul_i == 1'b0) begin
if(cnt != 6'b100000) begin //cnt不为32，表示试商法还没有结束
if(div_temp[32] == 1'b1) begin
//如果div_temp[32]为1，表示（minuend-n）结果小于0，
//将dividend向左移一位，这样就将被除数还没有参与运算的
//最高位加入到下一次迭代的被减数中，同时将0追加到中间结果
dividend <= {dividend[63:0] , 1'b0};
end else begin
//如果div_temp[32]为0，表示（minuend-n）结果大于等
//于0，将减法的结果与被除数还没有参运算的最高位加入到下
//一次迭代的被减数中，同时将1追加到中间结果
dividend <= {div_temp[31:0] , dividend[31:0] , 1'b1};
end
cnt <= cnt + 1;
end else begin //试商法结束
if((signed_div_i == 1'b1) &&
((opdata1_i[31] ^ opdata2_i[31]) == 1'b1)) begin
dividend[31:0] <= (~dividend[31:0] + 1); //求补码
end
if((signed_div_i == 1'b1) &&
((opdata1_i[31] ^ dividend[64]) == 1'b1)) begin
dividend[64:33] <= (~dividend[64:33] + 1); //求补码
end
state <= `DivEnd; //进入DivEnd状态
cnt <= 6'b000000; //cnt清零
end
end else begin
state <= `DivFree; //如果annul_i为1，那么直接回到DivFree状态
end
end
//******************* DivEnd状态 ***********************
//除法运算结束，result_o的宽度是64位，其高32位存储余数，低32位存储商，
//设置输出信号ready_o为DivResultReady，表示除法结束，然后等待EX模块
//送来DivStop信号，当EX模块送来DivStop信号时，DIV模块回到DivFree
//状态
//**********************************************************
`DivEnd: begin //DivEnd状态
result_o <= {dividend[64:33], dividend[31:0]};
ready_o <= `DivResultReady;
if(start_i == `DivStop) begin
state <= `DivFree;
ready_o <= `DivResultNotReady;
result_o <= {`ZeroWord,`ZeroWord};
end
end
endcase
end
end
endmodule
DIV模块中涉及的宏定义，在defines.v中定义，如下：
`define DivFree 2'b00
`define DivByZero 2'b01
`define DivOn 2'b10
`define DivEnd 2'b11
`define DivResultReady 1'b1
`define DivResultNotReady 1'b0
`define DivStart 1'b1
`define DivStop 1'b0
本篇实现了除法模块DIV，下一篇将把DIV模块嵌入到流水线中，以最终实现除法指令，敬请关注！
时间： 2024-08-01 10:44:34