sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential qtcreator qt5-default make
git clone https://github.com/QueueMin/MIPS-pipeline-processor-simulator.git
cd MIPS-pipeline-processor-simulator/GUI/MIPSSimulator/MIPSSimulator/
qmake
make
./MIPSSimulator
거의 유사한 맥락으로 Windows와 MAC OS에서도 설치 가능하다.
이외에도 자신의 운영체제에 맞는 Qt creator를 설치한 뒤 Qt creator에서 ./MIPS-pipeline-processor-simulator/GUI/MIPSSimulator/MIPSSimulator/MIPSSimulator.pro를 프로젝트로서 연 후, Qt 5.15 이상 버전으로 빌드하는 방법이 존재한다.
MIPS and/or/add/sub/slt/lw/sw/beq/j 9가지 instruction을 수행하는 5단계 pipeline processor를 cycle 단위로 시각화 하여 보여준다.
single cycle 방식에서는 하나의 instruction의 수행을 끝낸 후 다음 cycle을 실행하지만 pipeline 방식에서는 IF, ID, EX, MEM, WB 5단계로 나누어 동시에 다른 instruction을 다루기 때문에 실행시간을 단축할 수 있다.
single cycle 방식은 instruction이 순차적으로 진행되지만 pipeline 방식은 이전 instruction이 끝나기 전에 다음 instruction이 fetch되기 때문에 데이터 처리 과정에서 hazard가 발생한다.
전후 instruction이 의존관계에 있을 때 발생하는 hazard로 Forwarding Unit을 통해 이전 instruction에서 처리 된 값을 가져와 사용한다.
pipeline 구조에서 발생하는 hazard로 lw instruction에서 Rd값을 사용하는 instruction이 뒤따르는 경우 forwarding으로 hazard를 해결할 수 없다. 따라서 Hazard Detection Unit에서 hazard 유무를 판별해 bubble을 배치한다.
bubble의 갯수를 줄이기 위해 branch instruction이 계산되기 전에 다음 명령어를 fetch하는것에서 생기는 hazard이다. 본 프로젝트에서는 as not taken 방식을 선택했다. 즉 branch instruction 이 있는 Program Counter값의 다음 instruction을 fetch 한다. 이 상황에서 branch된다면 IFFlush로 fetch되는 값을 0으로 바꿔준다.
회로상에서 일어나는 모든 동작들은 코드의 Simulator 객체에서 이루어지게 된다. Simulator는 pipelined circuit의 구조를 최대한 본따, MemoryManager,ForwardUnit, HazardDetectionUnit, ControlUnit와 같이 입력에 따른 제어신호를 알맞게 반환하는 객체들을 내장하고 있다. Simulator는 IF, ID, EX, MEM, WB의 method를 가지며 해당 method들은 앞서 서술한 객체들과 pipeline register의 역할을 하는 IFID, IDEX, EXMEM, MEMWB 객체와 상호작용하며 실행되고, 그 결과는 다시 pipeline register객체에 저장되거나, $0~$31 레지스터에 write back되거나, MemoryManager 객체에 전달되어 Memory 영역에 저장된다.
program counter와 $0~$31번 레지스터에 들어가는 데이터는 Simulator 객체의 필드에 저장된다. 이외에 Jump, PCsrc, IF Flush signal들 또한 Simultor객체의 필드에 저장된다.
GUI는 Qt5기반으로 제작되었으며, QTSpim의 큰 구조를 벤치마킹 하였다. Simulator 객체에 접근하여 데이터를 가져와 화면에 표시한다. 회로의 동작에 직접적인 영향을 미치는 요소들은 QGraphicSceneView에 회로도를 표시하고, Simulator객체의 요소에 대응하는 component의 옆 혹은 위에 해당 값을 표시한다.
Encode되어 저장된 instruction들, PC와 $0~$31 레지스터가 가지는 값, 현재 Memory 영역에 저장된 0이 아닌 값은 각각 해당하는 Tab에 table의 형태로 확인할 수 있게 하였다.
-
File load button: 버튼을 누르면 파일을 선택할 수 있는 dialog가 나오고, 해당 dialog를 통해 {filename}.s형태로 저장된 파일을 열면 해당 파일의 내용을 바탕으로 instruction들이 시뮬레이터에 저장된다. -
Run single cycle button: 버튼을 누르면 현재 시뮬레이터에 저장된 값들을 바탕으로 시뮬레이터를 한 사이클 작동한다. -
Display Settings: Register 탭에서 보여주는 값들과 Memory 탭에서 보여주는 값들을 각각 2진수, 10진수, 16진수로 변환하여 표시할 수 있도록 설정한다.
- Instructions, Register, Memory Tab:
선택한 탭의 정보를 표시한다.
Instrtuction Tab은 각 Instruction이 할당된 PC와 encode된 code를 16진수로 표시한다.Register Tab은 현재 사이클이 시작할 때의 PC와 $0~$31번 레지스터에 들어가는 데이터가 표시된다. 이때, 이전 사이클과 비교해서 변화가 생긴 PC 혹은 register 값의 경우 붉은 색으로 highlight된다.Memory Tab은 데이터 필드에 저장된, 0이 아닌 데이터가 저장된 주소와 해당 값을 표시한다. 이때 .data directive나 특정 instruction을 통해 특정한 주소에 0을 저장하더라도 Tab에 표시되지 않는다.