复杂流水线CPU全自动测试思路（Verilog）
这是一篇针对计组P6的自动化测试学习
写在开头
由于P6是P5的迭代开发，因此本次工作将主要体现在数据生成上命令行学习
无需，前面的完全够用Python实现（数据执行器）
无需，照搬P5即可，具体见我的前几篇博客数据生成器迭代思路
P6指令集
{add,sub,and,or,slt,sltu,addi,andi,ori,lb,lh,lw,sb,sh,sw,mult,multu,div,divu,mfhi,mflo,mthi,mtlo,beq,bne,lui,jal,jr,nop}
迭代思路
整体思路
等同与不等同
找到同类，直接归类 没有同类，单独添加我举个例子，or,and,slt,sltu都是cal_r类型，可以直接和P5数据生成器中的add,sub等同处理。
lb,lh可以等同lw处理。
sb,sh可以等同sw处理。
等同的意思是，代码可以复用，规则可以复用。
对于mult,div则不可以，需要新规则的限制。
做完这些，大部分我们就归类完毕了，之后就是对于新规则的修修补补，维持程序正确
危险指令与安全指令
要这样考虑是为了逻辑上的简便，和作为指令生成时随机范围的依据，例如add,sub,and,or这些，就是安全指令，因为他们无论如何都不会引起异常，所以他们可以在任何位置生成（开头，代码块，延迟槽）……
而lw,sw,div这些，则是危险指令，对他们的操作稍有不慎，就会导致Mars报错，div不能除0，lw，sw要求地址合理，要求字对齐，而这些规则的处理，在随机生成中是需要我们提前用一些指令规避这些问题的，所以某些规则下生成的他们就不能出现在延迟槽中，因为不止一条指令。
具体细节
div除0的处理
div和divu是不能除0的，这在数学上本就不被允许，在Mars中是一种UB（未定义）行为，所以我们需要添加规则避免除0现象的产生：1
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25int rss= rs;
int rtt = rt;
while(rtt==0) #避免0号寄存器对后面的影响
{
rtt = Reg;
}
while(rss==0)
{
rss = Reg;
}
ori(rtt,rss,I+4,0);
ori(rtt,rss,I+4,0);
int delay = Delayinstr; #抽取随机数决定抽取指令池中的哪条指令
while(delay == 8||delay == 9) # 8，9为div和divu，我们这里不允许嵌套，所以要重新抽取
{
delay = Delayinstr;
}
Choose(delay, 0, rss, rtt, rs, rt, 0); #生成抽取好的指令，后面的参数是生成时寄存器不会选择rss,rtt,rs,rt（概率不生成）
delay = Delayinstr;
while(delay == 8||delay == 9)
{
delay = Delayinstr;
}
Choose(delay, 0, rss, rtt, rs, rt, 0); #同理（概率不生成）
printf("divu $%d,$%d\n", rtt, rss); 核心人物
以上代码便是对div,divu规则的具体表现，具体体现为，避免0寄存器的影响；在div这条指令的前1-2，2-3或3-4均为ori，保证除数不为0，至于为什么中间可能会插入两条指令，就是为了我P5时所说的那样，实现不同的转发级别。增强测试能力。
指令类的生成
细细察看我的代码生成，会发现我在尽力保持一种原则，及时是固定3条指令，我也会尽可能将这3条指令变为指令类，进行生成，这样既保证了正确性，也能提高随机性：1
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56printf("sw $0,0($0)\n");
int imm = Ib;
sub(rt, rt, rt);
ori(rt, rt, 12, 0);
int random = rand() % 3;
if(random == 0)
{
printf("sw $%d,0($0)\n", rt);
}
else if(random == 1)
{
printf("sh $%d,0($0)\n", rt);
}
else if(random == 2)
{
printf("sb $%d,0($0)\n", rt);
}
random = rand() % 3;
if(random == 0)
{
printf("lw $%d,0($0)\n", rs);
}
else if(random == 1)
{
printf("lh $%d,0($0)\n", rs);
}
else if(random == 2)
{
printf("lb $%d,0($0)\n", rs);
}
random = rand() % 3;
if(random == 0)
{
printf("lw $%d,%d($%d)\n", rt, imm, rs);
}
else if(random == 1)
{
printf("lh $%d,%d($%d)\n", rt, imm, rs);
}
else if(random == 2)
{
printf("lb $%d,%d($%d)\n", rt, imm, rs);
}
random = rand() % 3;
if(random == 0)
{
printf("sw $%d,%d($0)\n", rt, Ib);
}
else if(random == 1)
{
printf("sh $%d,%d($0)\n", rt, Ib);
}
else if(random == 2)
{
printf("sb $%d,%d($0)\n", rt, Ib);
}
这一段代码是我为了解决load和store指令冲突的规则之一，会发现，我在生成这些指令时，看着复杂，实际上就是指令类的随机生成，store-load-load-store,这样既能测试转发和阻塞，又能保证正确性。
代码复用
刚才我在总体思路里说明了，对于类似指令下的已有规则，我们可以直接复用，不需创造新规则，这样稳定又高效，展示一个例子：1
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51void sw_sh_sb(int rs, int rt) #原来是sw的生成函数的一部分，直接改为sw_sh_sb的生成函数
{
int flag = Reg % 2;
if (flag == 0)
{
int imm = Ib;
sub(rs, rs, rs);
if ((Reg % 3) == 0)
{
printf("sw $%d,%d($%d)\n", rt, imm, rs);
}
else if ((Reg % 3) == 1)
{
printf("sh $%d,%d($%d)\n", rt, imm, rs);
}
else
{
printf("sb $%d,%d($%d)\n", rt, imm, rs);
}
}
else
{
if (rs == 0)
{
rs++;
}
int imm1 = Ib;
int imm2 = Ib;
if (imm1 < imm2)
{
int temp = imm1;
imm1 = imm2;
imm2 = temp;
}
sub(rs, rs, rs);
ori(rs, rs, imm1, 0);
int imm3 = 0 - imm2;
if ((Reg % 3) == 0)
{
printf("sw $%d,%d($%d)\n", rt, imm3, rs);
}
else if ((Reg % 3) == 1)
{
printf("sh $%d,%d($%d)\n", rt, imm3, rs);
}
else
{
printf("sb $%d,%d($%d)\n", rt, imm3, rs);
}
}
}
如上，这个函数在P5中是sw生成规则的一部分，具体是为了加入负数检验EXT模块的正确性，在P6它便可以摇身一变，成为sw_sh_sb生成规则的一部分，我们要做的，只是添加一个随机的功能，抽取一个Store类即可。
jr和jal的处理
这个话题是老生常谈的，也是数据生成中最大的问题，稍微动错一点，就会导致跳转错误。所以我们对这两个的转发和阻塞实现可以从两个方面下手：
（1）让他们作为转发人，作为阻塞源：1
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5#前面是jal,刚对$31进行了写入
if(Reg%3==0) printf("mult $31,$%d\n",Reg);
else if(Reg%3==1) printf("multu $31,$%d\n",Reg);
else if(Reg%3==2) printf("divu $%d,$31\n",Reg);
else printf("div $%d,$31\n",Reg);
这是我生成规则中，对于jal和乘除指令的一个特殊生成规则，有个小细节就是，在div中，保证$31作为除数，因为它绝对不为0，可以省去考虑div为0的步骤。
（2）作为被转发人，作为被阻塞源：1
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38int g = Reg % 5;
if (g == 0)
{
sub(rs, rs, rs);
add(rs, 31, rd);
sub(31, 31, 31); // rd $31 rs=0
add(rd, 0, 31);
}
else if (g == 1)
{
sub(rs, rs, rs);
add(rs, 31, rd);
sub(31, 31, 31); // rd $31 rs=0 $31=0
ori(rd, 31, 0, 0);
}
else if (g == 2)
{
int immi = I;
sub(rt, rt, rt);
printf("sw $%d,%d($%d)\n", 31, immi, rt);
sub(31, 31, 31);
printf("lw $%d,%d($%d)\n", 31, immi, rt);
}
else if(g == 3)
{
sub(rs, rs, rs);
add(rs, 31, rd);
add(31, 31, 31);
sub(rd, 31, 31); // rd $31 rs=0
}
else if(g==4)
{
mtlo(31);
mthi(31);
sub(31, 31, 31);
if(Reg%2) mflo(31);
else mfhi(31);
}
总体思路就是：把$31的值挪走，再挪回来。
效果展示
1 | "grade": { |
数据生成器
太长了所以放链接：https://github.com/ForeverYolo/2022-BUAA-CO/tree/main/P6
如果使用了本数据生成器，笔者亲测可以通过2022年P6课上强测！
P6数据生成器代码行数：823行
