functest_hex.md

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 263265 行判断测试过程中是否出现例外， 正确情况下没有例外；第 266267 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。