# 功能测试 功能测试程序集为 MIPS 汇编程序，用于测试 CPU 功能并在实验箱上显示。当CPU从内存中执行测试程序后，实验箱上的数码管和 LED 灯显示分数和测试通过情况。文档介绍了功能测试的使用方法和功能测试程序和环境。 ## 功能测试程序 本小节介绍功能测试程序包含的内容，可以结合测试程序阅读。 功能测试的主程序位于 src/start.S，src/inst 目录下为测试 文件 `n1_add.S` \~ `n93_tlbwr.S`，每个测试文件对应一个功能测试点。功能测试程序集包含的功能测试点如下: | 序号 | Hex | 测试程序 | 功能测试点| |:--- | :--- |:--- |:--- | | 1 | 0x01| ADD | 执行 ADD 指令是否产生正确的运算结果（未测试整型溢出例外的情况） | | 2 | 0x02|ADDI | 执行 ADDI 指令是否产生正确的运算结果（未测试整型溢出例外的情况） | | 3 | 0x03|ADDU | 执行 ADDU 指令是否产生正确的运算结果 | | 4 | 0x04|ADDIU | 执行 ADDIU 指令是否产生正确的运算结果 | | 5 | 0x05| SUB | 执行 SUB 指令是否产生正确的运算结果（未测试整型溢出例外的情况） | | 6 | 0x06| SUBU | 执行 SUBU 指令是否产生正确的运算结果 | | 7 | 0x07| SLT | 执行 SLT 指令是否产生正确的运算结果 | | 8 | 0x08| SLTI | 执行 SLTI 指令是否产生正确的运算结果 | | 9 | 0x09| SLTU | 执行 SLTU 指令是否产生正确的运算结果 | | 10 | 0x0a| SLTIU | 执行 SLTIU 指令是否产生正确的运算结果 | | 11 | 0x0b| DIV | 执行 DIV 指令是否产生正确的运算结果 | | 12 | 0x0c| DIVU | 执行 DIVU 指令是否产生正确的运算结果 | | 13 | 0x0d| MULT | 执行 MULT 指令是否产生正确的运算结果 | | 14 | 0x0e| MULTU | 执行 MULTU 指令是否产生正确的运算结果 | | 15 | 0x0f| AND | 执行 AND 指令是否产生正确的运算结果 | | 16 | 0x10| ANDI | 执行 ANDI 指令是否产生正确的运算结果 | | 17 | 0x11| LUI | 执行 LUI 指令是否产生正确的运算结果 | | 18 | 0x12| NOR | 执行 NOR 指令是否产生正确的运算结果 | | 19 | 0x13| OR | 执行 OR 指令是否产生正确的运算结果 | | 20 | 0x14| ORI | 执行 ORI 指令是否产生正确的运算结果 | | 21 | 0x15| XOR | 执行 XOR 指令是否产生正确的运算结果 | | 22 | 0x16| XORI | 执行 XORI 指令是否产生正确的运算结果 | | 23 | 0x17| SLLV | 执行 SLLV 指令是否产生正确的移位结果 | | 24 | 0x18| SLL | 执行 SLL 指令是否产生正确的移位结果 | | 25 | 0x19| SRAV | 执行 SRAV 指令是否产生正确的移位结果 | | 26 | 0x1a| SRA | 执行 SRA 指令是否产生正确的移位结果 | | 27 | 0x1b| SRLV | 执行 SRLV 指令是否产生正确的移位结果 | | 28 | 0x1c| SRL | 执行 SRL 指令是否产生正确的移位结果 | | 29 | 0x1d| BEQ | 执行 BEQ 指令是否产生正确的判断和跳转结果（延迟槽指令为nop，未测试延迟槽） | | 30 | 0x1e| BNE | 执行 BNE 指令是否产生正确的判断和跳转结果（延迟槽指令为nop，未测试延迟槽） | | 31 | 0x1f| BGEZ | 执行 BGEZ 指令是否产生正确的判断和跳转结果（延迟槽指令为 nop，未测试延迟槽） | | 32 | 0x20| BGTZ | 执行 BGTZ 指令是否产生正确的判断和跳转结果（延迟槽指令为 nop，未测试延迟槽） | | 33 | 0x21| BLEZ | 执行 BLEZ 指令是否产生正确的判断和跳转结果（延迟槽指令为 nop，未测试延迟槽） | | 34 | 0x22| BLTZ | 执行 BLTZ 指令是否产生正确的判断和跳转结果（延迟槽指令为 nop，未测试延迟槽） | | 35 | 0x23| BGEZAL | 执行 BGEZAL 指令是否产生正确的判断、跳转和链接结果（延迟槽指令为 nop，未测试延迟槽） | | 36 | 0x24| BLTZAL | 执行 BLTZAL 指令是否产生正确的判断、跳转和链接结果（延迟槽指令为 nop，未测试延迟槽） | | 37 | 0x25| J | 执行 J 指令是否产生正确的跳转结果（延迟槽指令为 nop，未测试延迟槽） | | 38 | 0x26| JAL | 执行 JAL 指令是否产生正确的跳转和链接结果（延迟槽指令为nop，未测试延迟槽） | | 39 | 0x27| JR | 执行 JR 指令是否产生正确的跳转结果（延迟槽指令为 nop，未测试延迟槽） | | 40 | 0x28| JALR | 执行 JALR 指令是否产生正确的跳转和链接结果（延迟槽指令为 nop，未测试延迟槽） | | 41 | 0x29| MFHI | 执行 MTHI 指令是否正确地将寄存器值写入 HI 寄存器，执行MFHI 指令是否正确地读出 HI 寄存器的值到寄存器 | | 42 | 0x2a| MFLO | 执行 MTLO 指令是否正确地将寄存器值写入 LO 寄存器，执行MFLO 指令是否正确地读出 LO 寄存器的值到寄存器 | | 43 | 0x2b| MTHI | 执行 MTHI 指令是否正确地将寄存器值写入 HI 寄存器，执行MFHI 指令是否正确地读出 HI 寄存器的值到寄存器 | | 44 | 0x2c| MTLO | 执行 MTLO 指令是否正确地将寄存器值写入 HI 寄存器，执行MFLO 指令是否正确地读出 HI 寄存器的值到寄存器 | | 45 | 0x2d| BREAK | 执行 BREAK 指令是否正确地产生断点例外 | | 46 | 0x2e| SYSCALL | 执行 SYSCALL 指令是否正确地产生系统调用例外 | | 47 | 0x2f| LB | 结合 SW 指令，执行 LB 指令是否产生正确的访存结果 | | 48 | 0x30| LBU | 结合 SW 指令，执行 LBU 指令是否产生正确的访存结果 | | 49 | 0x31| LH | 结合 SW 指令，执行 LH 指令是否产生正确的访存结果 | | 50 | 0x32| LHU | 结合 SW 指令，执行 LHU 指令是否产生正确的访存结果 | | 51 | 0x33| LW | 结合 SW 指令，执行 LW 指令是否产生正确的访存结果 | | 52 | 0x34| SB | 结合 LW 指令，执行 SB 指令是否产生正确的访存结果 | | 53 | 0x35| SH | 结合 LW 指令，执行 SH 指令是否产生正确的访存结果 | | 54 | 0x36| SW | 结合 LW 指令，执行 SW 指令是否产生正确的访存结果 | | 55 | 0x37| ERET | 执行 ERET 指令是否正确地从中断、例外处理程序返回 | | 56 | 0x38| MFC0 | 执行 MTC0 指令是否正确地将寄存器值写入目的 CP0 寄存器，执行 MFC0 指令是否正确地读出源 CP0 寄存器的值到寄存器 | | 57 | 0x39| MTC0 | 执行 MTC0 指令是否正确地将寄存器值写入目的 CP0 寄存器，执行 MFC0 指令是否正确地读出源 CP0 寄存器的值到寄存器 | | 58 | 0x3a| ADD\_EX | 测试 ADD 指令整型溢出例外 | | 59 | 0x3b| ADDI\_EX | 测试 ADDI 指令整型溢出例外 | | 60 | 0x3c| SUB\_EX | 测试 SUB 指令整型溢出例外 | | 61 | 0x3d| LH\_EX | 测试 LH 指令访存地址非对齐例外 | | 62 | 0x3e| LHU\_EX | 测试 LHU 指令访存地址非对齐例外 | | 63 | 0x3f| LW\_EX | 测试 LW 指令访存地址非对齐例外 | | 64 | 0x40| SH\_EX | 测试 SH 指令访存地址非对齐例外 | | 65 | 0x41| SW\_EX | 测试 SW 指令访存地址非对齐例外 | | 66 | 0x42| ERET\_EX | 测试取指地址非对齐例外 | | 67 | 0x43| RESERVED\_INSTRUCTION\_EX | 测试保留指令例外 | | 68 | 0x44| BEQ\_DS | 测试延迟槽 | | 69 | 0x45| BNE\_DS | 测试延迟槽 | | 70 | 0x46| BGEZ\_DS | 测试延迟槽 | | 71 | 0x47| BGTZ\_DS | 测试延迟槽 | | 72 | 0x48| BLEZ\_DS | 测试延迟槽 | | 73 | 0x49| BLTZ\_DS | 测试延迟槽 | | 74 | 0x4a| BGEZAL\_DS | 测试延迟槽 | | 75 | 0x4b| BLTZAL\_DS | 测试延迟槽 | | 76 | 0x4c| J\_DS | 测试延迟槽 | | 77 | 0x4d| JAL\_DS | 测试延迟槽 | | 78 | 0x4e| JR\_DS | 测试延迟槽 | | 79 | 0x4f| JALR\_DS | 测试延迟槽 | | 80 | 0x50| BEQ\_EX\_DS | 测试延迟槽例外 | | 81 | 0x51| BNE\_EX\_DS | 测试延迟槽例外 | | 82 | 0x52| BGEZ\_EX\_DS | 测试延迟槽例外 | | 83 | 0x53| BGTZ\_EX\_DS | 测试延迟槽例外 | | 84 | 0x54| BLEZ\_EX\_DS | 测试延迟槽例外 | | 85 | 0x55| BLTZ\_EX\_DS | 测试延迟槽例外 | | 86 | 0x56| BGEZAL\_EX\_DS | 测试延迟槽例外 | | 87 | 0x57| BLTZAL\_EX\_DS | 测试延迟槽例外 | | 88 | 0x58| J\_EX\_DS | 测试延迟槽例外 | | 89 | 0x59| JAL\_EX\_DS | 测试延迟槽例外 | | 90 | 0x5a| JR\_EX\_DS | 测试延迟槽例外 | | 91 | 0x5b| JALR\_EX\_DS | 测试延迟槽例外 | | 92 | 0x5c| TLBWI | 测试TLBWI指令 | | 93 | 0x5d| TLBWR | 测试TLBWR指令 | 功能测试大部分为随机测试，随机数预先生成并写入程序中。 功能测试采用宏指令，定义宏指令的头文件位于 src/include 下，分为 6 个文件： - inst\_def.h 定义了第 1\~54 功能测试点的指令宏定义；(第 55\~57 功能测试点不采用宏定义) - inst\_test.h 定义了第 1\~54 功能测试点的测试指令宏定义；(第 55\~57 功能测试点不采用宏定义) - inst\_ex\_def.h 定义了第 58\~67 功能测试点的指令宏定义； - inst\_ex\_test.h 定义了第 58\~67 功能测试点的测试指令宏定义； - inst\_delay\_slot\_def.h 定义了第 68\~91 功能测试点的指令宏定义； - inst\_delay\_slot\_test.h 定义了第 68\~91 功能测试点的测试指令宏定义。 例如第 1 个功能测试点 ADD，在功能测试主程序 start.S 中 jal 指令调用 n1\_add\_test： src/start.S +++++++++++ … inst_test: jal n1_add_test #add nop … n1\_add\_test 功能测试子程序如下： src/inst/n1_add.S +++++++++++++++++ 9 LEAF(n1_add_test) 10 lui a0, 0x100 11 li v0, 0x0 12 ###test inst 13 TEST_ADD(0x0480ff04, 0x40933204, 0x45143108) 14 TEST_ADD(0x2a19dd40, 0xa87971e0, 0xd2934f20) … 211 TEST_ADD(0x25e5fad8, 0x00000000, 0x25e5fad8) 212 TEST_ADD(0x00000000, 0xdcaf5e62, 0xdcaf5e62) … 262 TEST_ADD(0x00000000, 0x00000000, 0x00000000) 263 ###detect exception 264 bne v0, zero, inst_error 265 nop 266 ###score ++ 267 addiu s3, s3, 1 268 ###output a0|s3 269 inst_error: 270 or t0, a0, s3 271 sw t0, 0(s1) 272 jr ra 273 nop 274 END(n1_add_test) 其中，第 10 行 a0 寄存器存储了测试功能点编号值，这里为 0x1；第 11 行 v0 寄存器存储的是例外检 测，初始值为 0，如果程序出现例外会置为 0xffff0000，在 264 行检测如果出现例外就会跳转到 inst\_error；第 12 行到第 262 行为测试指令，TEST\_ADD(加数 1，加数 2，正确结果)，分别测试了加数 1 和 2 都是随机数、加数 1 或 2 是 0、加数 1 和 2 都是 0 的情况；第 263~265 行判断测试过程中是否出现例外， 正确情况下没有例外；第 266~267 行，s3 寄存器存测试分值，测试通过一个功能点加 1 分；第 268~273 行 为测试结束，将测试编号和测试分值输出显示并返回主程序。 宏定义 TEST\_ADD 位于 inst\_test.h 中： src/include/inst_test.h +++++++++++++++++++++++ 4 /* 1 5 * TEST_ADD(vs, vt, vd) 6 */ 7 #define TEST_ADD(vs, vt, vd) \ 8 ADD(vs, vt); \ 9 li s2, vd; \ 10 bne s0, s2, inst_error; \ 11 nop TEST\_ADD 将加数 1 和加数 2 传给 ADD(vs, vt)，并判断目的寄存器 s0 的值是否与正确结果 s2 寄存器的值一致。ADD 宏定义位于 inst\_def.h： src/include/inst_def.h ++++++++++++++++++++++ 3 /* 1 4 * ADD(v0, v1) 5 */ 6 #define ADD(v0, v1) \ 7 li t0, v0; \ 8 li t1, v1; \ 9 add s0, t0, t1 ADD 将加数 1 装载于寄存器 t0，加数 2 装载于寄存器 t1，结果位于寄存器 s0。 功能测试时，测试程序存储在内存中。具体存放在物理地址段 0x00000000\~0x00200000（对应虚拟地址 0x80000000\~0x80200000）范围内。程序的入口虚地址为0x80000000。 程序需要控制板上的数码管和LED显示，其控制寄存器的地址由 src/start.S 文件中的`LED_ADDR`和`NUM_ADDR`宏定义。 ## 编译和链接 本小节介绍功能测试程序编译和链接环境，作为功能测试调试时的选读内容，可以结合代码阅读。 编译和链接环境位于 src/ 目录下，其中： bin.lds 为链接脚本，bin.lds.S 为其源码； convert 将编译生成的二进制可执行文件转换成存储器 RAM 的初始化配置文件，convert.c 为其源码； Makefile 和 rules.make 规定了编译的配置信息和规则，交叉编译最终生成可执行文件为 main.bin。Makefile 中需要设置交叉编译器命令前缀参数`CROSS_COMPILE`，修改该参数可直接修改 Makefile 文件或者在 make 命令行中传入。Makefile 对于硬件运行和仿真运行有分别对应的版本，区别在于硬件运行的版本每条测例后面有等待，以便人观察结果。 默认版本是在硬件运行，编译命令为`make`或`make ver=test_hw`，清理命令为`make clean`或`make clean ver=test_hw` 仿真版本的编译命令为`make ver=sim`，清理命令为`make clean ver=sim`。必须加上版本的定义，否则就按照默认版本生成或清除对应的文件。