FTQ顶层

简述

在FTQ概述中，我们已经知道了，FTQ的作用就是多个模块交互的中转站，大致了解了它接受其他模块的哪些信息，它如何接受并存储这些信息在FTQ中，并如何把这些存储信息传递给需要的模块。 下面我们来具体了解一下FTQ与其他模块的交互接口，我们会对这种交互有一个更具体的认识。

IO一览

模块间IO

  • fromBpu：接受BPU预测结果的接口（BpuToFtqIO）
  • fromIfu：接受IFU预译码写回的接口（IfuToFtqIO）
  • fromBackend：接受后端执行结果和commit信号的接口（CtrlToFtqIO）
  • toBpu：向BPU发送训练信息和重定向信息的接口（FtqToBpuIO）
  • toIfu：向IFU发送取值目标和重定向信息的接口（FtqToIfuIO）
  • toICache：向ICache发送取值目标的接口（FtqToICacheIO）
  • toBackend：向后端发送取值目标的接口（FtqToCtrlIO）
  • toPrefetch：向Prefetch发送取值目标的接口（FtqToPrefetchIO）
  • mmio

其他

上述是主要的IO接口，此外，还有一些用于性能统计的IO接口，比如对BPU预测正确和错误结果次数进行统计，并进行转发的IO, 还有转发BPU各预测器预测信息的IO。

BpuToFtqIO

IfuToFtqIO

我们知道从IFU，我们会得到预译码信息和重定向信息，而后者其实也是从预译码信息中生成。所以从IFU到FTQ的接口主要就是用来传递预译码信息的

  • pdWb：IFU向FTQ写回某个FTQ项的预译码信息
    • 接口类型：PredecodeWritebackBundle
    • 信号列表：
      • pc：一个分支预测块覆盖的预测范围内的所有pc
        • 接口类型：Vec(PredictWidth, UInt(VAddrBits.W))
      • pd：预测范围内所有指令的预译码信息
        • 接口类型：Vec(PredictWidth, new PreDecodeInfo)
        • PreDecodeInfo：每条指令的预译码信息
          • 接口类型：PreDecodeInfo
          • 信号列表：
            • valid：预译码有效信号
              • 接口类型：Bool
            • isRVC：是RVC指令
              • 接口类型：Bool
            • brType：跳转指令类型
              • 接口类型：UInt(2.W)
              • 说明：根据brType的值判断跳转指令类型
                • b01：对应分支指令
                • b10：对应jal
                • b11：对应jalr
                • b00：对应非控制流指令
            • isCall：是Call指令
              • 接口类型：Bool
            • isRet：是Ret指令
              • 接口类型：Bool
      • ftqIdx：FTQ项的索引，标记写回到哪个FTQ项
        • 接口类型：FtqPtr
      • ftqOffset：由BPU预测结果得到的，在该指令块中指令控制流指令的位置（指令控制流指令就是实际发生跳转的指令）
        • 接口类型：UInt(log2Ceil(PredictWidth).W)
      • misOffset：预译码发现发生预测错误的指令在指令块中的位置
        • 接口类型：ValidUndirectioned(UInt(log2Ceil(PredictWidth).W))
        • 说明：它的valid信号拉高表示该信号有效，也就说明存在预测错误，会引发重定向
      • cfiOffset：由预译码结果得到的，在该指令块中指令控制流指令的位置（指令控制流指令就是实际发生跳转的指令）
        • 接口类型：ValidUndirectioned(UInt(log2Ceil(PredictWidth).W))
      • target：该指令块的目标地址
        • 接口类型：UInt(VAddrBits.W)
        • 说明：所谓目标地址，即在指令块中有控制流指令时，控制流指令的地址，在没有控制流指令时，指令块顺序执行，该指令块最后一条指令的下一条指令
      • jalTarget：jal指令的跳转地址
        • 接口类型：UInt(VAddrBits.W)
      • instrRange：有效指令范围
        • 接口类型：Vec(PredictWidth, Bool())
        • 说明：表示该条指令是不是在这个预测块的有效指令范围内（第一条有效跳转指令之前的指令）

CtrlToFtqIO

后端控制块向FTQ发送指令提交信息，后端执行结果的接口。

  • rob_commits：一个提交宽度内的RobCommitInfo信息。
    • 接口类型：Vec(CommitWidth, Valid(new RobCommitInfo))
    • 详情链接：RobCommitInfo
  • redirect：后端提供重定向信息的接口。
    • 接口类型：Valid(new Redirect)
    • 详情链接：Redirect
  • ftqIdxAhead：提前重定向的FTQ指针，将要重定向的FTQ项的指针提前发送
    • 接口类型： Vec(BackendRedirectNum, Valid(new FtqPtr))
    • 说明：虽然有三个接口，但实际上只用到了第一个接口，后面两个弃用了
  • ftqIdxSelOH：独热码，本来是依靠该信号从提前重定向ftqIdxAhead中选择一个，但现在只有一个接口了，独热码也只有一位了。
    • 接口类型：Valid(UInt((BackendRedirectNum).W))
    • 说明：为了实现提前一拍读出在ftq中存储的重定向数据，减少redirect损失，后端会向ftq提前一拍（相对正式的后端redirect信号）传送ftqIdxAhead信号和ftqIdxSelOH信号。

FtqToBpuIO

FtqToICacheIO

FTQ向IFU发送取值目标，ICache是指令缓存，如果取值目标在ICache中命中，由ICache将指令发给IFU

  • req：FTQ向ICache发送取值目标的请求
    • 接口类型：Decoupled(new FtqToICacheRequestBundle)
    • 信号列表：
      • pcMemRead：FTQ针对ICache发送的取值目标，ICache通过5个端口同时读取取指目标
        • 接口类型：Vec(5, new FtqICacheInfo)
        • FtqICacheInfo: FTQ针对ICache发送的取值目标
          • 信号列表：
            • ftqIdx：指令块在FTQ中的位置索引
              • 接口类型：FtqPtr
            • startAddr：预测块起始地址
              • 接口类型：UInt(VAddrBits.W)
            • nextlineStart：起始地址所在cacheline的下一个cacheline的开始地址
              • 接口类型：UInt(VAddrBits.W)
            • 说明：通过startAddr(blockOffBits - 1)这一位（也就是块内偏移地址的最高位）可以判断该预读取pc地址是位于cacheline的前半块还是后半块，若是前半块，由于取值块大小为cacheline大小的一半，不会发生跨cacheline行
      • readValid: 对应5个pcMemRead是否有效
      • backendException：是否有后端异常

FtqToCtrlIO

FTQ向后端控制模块转发PC，后端将这些pc存储在本地，之后直接在本地读取这些pc 写入后端pc mem

  • pc_mem_wen：FTQ向后端pc存储单元pc_mem写使能信号
    • 接口类型：Output(Bool())
  • pc_mem_waddr：写入地址
    • 接口类型：Output(UInt(log2Ceil(FtqSize).W))
  • pc_mem_wdata：写入数据，是一个指令块的取值目标
    • 接口类型：Output(new Ftq_RF_Components)，详见FTQ子队列相关介绍 写入最新目标
  • newest_entry_en：是否启用
    • 接口类型：Output(Bool())
  • newest_entry_target：最新指令块的跳转目标
    • 接口类型：Output(UInt(VAddrBits.W))
  • newest_entry_ptr：最新指令块的索引值
    • 接口类型： Output(new FtqPtr)

FtqToPrefetchIO

  • req：FTQ向Prefetch发送取值目标的请求
    • 接口类型：FtqICacheInfo
  • flushFromBPU: 来自BPU的冲刷信息
    • 接口类型：BpuFlushInfo
    • 信号列表：
      • s2 ：BPU预测结果重定向（注意这种重定向是BPU自己产生的，与其他类型要做区分）发生在s2阶段时，此阶段的分支预测块的索引
        • 接口类型：Valid(new FtqPtr)
        • 说明：valid信号有效时，说明此时s2流水级分支预测结果与其s1阶段预测结果不一致，产生s2阶段重定向
      • s3：BPU预测结果重定向（注意这种重定向是BPU自己产生的，与其他类型要做区分）发生在s3阶段时，此阶段的分支预测块的索引
        • 接口类型：Valid(new FtqPtr)
        • 说明：与s2类似
      • 说明：发生预测结果重定向的时候，预取单元和IFU都可能会被冲刷，比如，如果发生s2阶段重定向，FTQ会比较发给IFU req接口中的ftqIdx和s2阶段预测结果的ftqIdx，如果s2阶段的ftqIdx不在req的ftqIdx之后，这意味着，s2阶段产生的预测结果重定向之前的错误预测结果s1阶段预测结果被发给IFU进行取指了，为了消除这种错误，需要向IFU发送s2阶段flush信号。
  • backendException：后端执行发生的异常
    • 接口类型：UInt(ExceptionType.width.W)
    • 说明：表示后端执行时发生异常的类型，有这样几种类型的异常：
def none:  UInt = "b00".U(width.W)
def pf:    UInt = "b01".U(width.W) // instruction page fault
def gpf:   UInt = "b10".U(width.W) // instruction guest page fault
def af:    UInt = "b11".U(width.W) // instruction access fault
最后修改 April 3, 2025: ICache verify enviroment and docs added. (#111) (904f80b)