MainPipe

MainPipe 为 ICache 的主流水，为三级流水设计，负责从 DataArray 中读取数据，pmp 检查，缺失处理，并且将结果返回给 IFU。

MainPipe结构示意图

从 WayLookup 获取信息，访问 DataArray 单路（S0 阶段）在 S0 流水级，从 WayLookup 获取元数据，包括路命中信息和 ITLB 查询结果，访问 DataArray 的单路，如果 DataArray 正在被写或 WayLookup 中没有有效表项，流水线就会阻塞。每次重定向后，FTQ 中同一个请求被同时发送到 MainPipe 和 IPrefetchPipe 中，MainPipe 始终需要等待 IPrefetchPipe 将请求的查询信息写入 WayLookup 后才能向下走，导致了 1 拍重定向延迟，当预取超过取指时，该延迟就会被覆盖。

接收并解析来自 FTQ 的取指请求，提取必要的请求信息，如虚拟地址、缓存组索引、块内偏移、是否为双行读、后端的异常信息。
从 WayLookup 模块获取缓存命中信息和 TLB 信息，包括 waymask、物理标签、虚拟机物理地址、是否为叶节点、 ITLB 异常、ITLB 的 PBMT 信息、缓存元数据的校验码。
访问 DataArray 的单路，如果 DataArray 正在被写或 WayLookup 中没有有效表项，流水线就会阻塞。
每次重定向后，FTQ 中同一个请求被同时发送到 MainPipe 和 IPrefetchPipe 中，MainPipe 始终需要等待 IPrefetchPipe 将请求的查询信息写入 WayLookup 后才能向下走，导致了 1 拍重定向延迟，当预取超过取指时，该延迟就会被覆盖。

接收上一个阶段的信息并进行数据暂存、PMP 检查、从 DataArray 获取读响应异常合并、替换策略更新以及监控 MissUnit（S1 阶段）

寄存并延迟 S0 阶段信息
- 从 S0 获取的地址、tag、命中方式（waymask）、TLB 异常标志、下一拍要用的数据等，都会在 S1 寄存一拍，保证在流水线停顿时也能维持正确值。
Meta ECC 检查
- 对 S0 读出的 meta 和其校验码（ECC/Parity）进行比对，判断是否发生错误。如果关闭 parity 功能，则跳过该检查。
更新 replacer
- 对确定命中的访问请求，进行“touch”更新，标记最近使用过的 way，以便后续替换算法正确运行。
PMP 检查
- 根据 S0 得到的物理地址（paddr），在 S1 对其进行 PMP 检查，判断是否拥有执行权限、是否为 MMIO 等。在当拍收到响应，将结果寄存到下一流水级进行处理。
- 需要指出，IPrefetchPipe s1 流水级也会进行 PMP 检查，和此处的检查实际上是完全一样的，分别检查只是为了优化时序（避免 ITLB(reg) -> ITLB.resp -> PMP.req -> PMP.resp -> WayLookup.write -> bypass -> WayLookup.read -> MainPipe s1(reg) 的超长组合逻辑路径）。
异常合并
- 将 ITLB 与 PMP 异常进行优先级合并，产生最终的异常标记。
选择数据来源：MSHR 或 SRAM
- 接收 DataArray 返回的 data 和 code 并寄存，同时监听 MSHR 的响应，当 DataArray 和 MSHR 的响应同时有效时，后者的优先级更高。当 MSHR 已在填充一些数据，如果当前请求与 MSHR 命中，可以在 S1 阶段直接选用 MSHR 的数据，而不必依赖 SRAM 读出的结果。

监控 MissUnit，在 ECC 校验、异常处理和缺失处理之后，将最终的数据、异常信息传递给 IFU，完成取指流程（S2 阶段）

ECC 校验
- DataArray ECC 校验，对 S1 流水级寄存的 code 进行校验，生成 data 是否损坏信号 s2_data_corrupt。如果校验出错，就将错误报告给 BEU。
- MetaArray ECC 校验，IPrefetchPipe 读出 MetaArray 的数据后会直接进行校验，并将校验结果随命中信息一起入队 WayLookup 并随 MainPipe 流水到达 S2 级（meta_corrupt 信号），在此处随 DataArray 的 ECC 校验结果一起报告给 BEU。
监控 MissUnit 响应端口
- 检查当前 S2 阶段的请求是否与 MSHR 中的条目匹配，命中时寄存 MSHR 响应的数据，为了时序在下一拍才将数据发送到 IFU。
- 更新 Data 和其是否来自 MSHR 的信息。
- 更新 s2_hits 和处理异常。
- 处理 L2 Cache 的 Corrupt 标志。
缺失处理，发送 Miss 请求到 MSHR
- 计算是否需要重新获取（Refetch）。
- 通过是否命中、ECC 错误、正确跨行、是否异常和是否属于 MMIO 区域来发送 Miss 请求。
- 设置 Arbiter 合并多个端口的 Miss 请求，确保一次只处理一个请求，同时有避免重复请求的设置。
- 判断 Fetch 是否完成。
- 生成 L2 Cache 的异常标记，再将当前 S2 阶段的异常（包括 ITLB、PMP）与 L2 Cache 的异常进行合并。
响应 IFU
- 将最终的数据、异常信息传递给 IFU，完成取指流程。
- 根据请求是否为跨行，决定如何处理双行数据。
报告 TileLink 的 Corrupt 错误
- 对于每个端口，如果在当前周期 s2_fire 时检测到来自 L2 Cache 的数据 corrupt 错误，就将错误报告给 BEU。

MainPipe 的功能点和测试点

访问 DataArray 的单路

根据从 WayLookup 获取信息，包括路命中信息和 ITLB 查询结果还有 DataArray 当前的情况，决定是否需要从 DataArray 中读取数据。

访问 DataArray 的单路
- 当 WayLookup 中的信息表明路命中时，ITLB 查询成功，并且 DataArray 当前没有写时，MainPipe 会向 DataArray 发送读取请求，以获取数据。
- s0_hits 为高（一路命中），s0_itlb_exception 信号为零（ITLB 查询成功），toData.last.ready 为高（DataArray 没有正在进行的写操作）。
- toData.valid 信号为高，表示 MainPipe 向 DataArray 发出了读取请求。
不访问 DataArray（Way 未命中） ==会访问，但是返回数据无效==
- 当 WayLookup 中的信息表明路未命中时，MainPipe 不会向 DataArray 发送读取请求。
- s0_hits 为低表示缓存未命中
- toData.valid 信号为低，表示 MainPipe 未向 DataArray 发出读取请求。
不访问 DataArray（ITLB 查询失败）==会访问，但是返回数据无效==
- 当 ITLB 查询失败时，MainPipe 不会向 DataArray 发送读取请求。
- s0_itlb_exception 信号不为零（ITLB 查询失败）。
- toData.valid 信号为低，表示 MainPipe 未向 DataArray 发出读取请求。
不访问 DataArray（DataArray 正在进行写操作）
- 当 DataArray 正在进行写操作时，MainPipe 不会向 DataArray 发送读取请求。
- toData.last.ready 信号为低，表示 DataArray 正在进行写操作。
- toData.valid 信号为低，表示 MainPipe 未向 DataArray 发出读取请求。

Meta ECC 校验

将物理地址的标签部分与对应的 Meta 进行 ECC 校验，以确保 Meta 的完整性。

无 ECC 错误

当 waymask 全为 0（没有命中），则 hit_num 为 0 或 waymask 有一位为 1（一路命中），hit_num 为 1 且 ECC 对比通过（encodeMetaECC(meta) == code）
s1_meta_corrupt 为假。

单路命中的 ECC 错误

当 waymask 有一位为 1（一路命中），ECC 对比失败（encodeMetaECC(meta) != code）
s1_data_corrupt(i)， io.errors(i).valid， io.errors(i).bits.report_to_beu， io.errors(i).bits.source.data 为 true。

多路命中

hit multi-way, must be an ECC failure

当 waymask 有两位及以上为 1（多路命中），视为 ECC 错误。
s1_data_corrupt(i)， io.errors(i).valid， io.errors(i).bits.report_to_beu， io.errors(i).bits.source.data 为 true。

ECC 功能关闭

当奇偶校验关闭时（ecc_enable 为低），强制清除 s1_meta_corrupt 信号置位。
不管是否发生 ECC 错误，s1_meta_corrupt 都为假。

PMP 检查

将 S1 的物理地址 s1_req_paddr(i) 和指令 TlbCmd.exec 发往 PMP，判断取指是否合法。
防止非法地址，区分普通内存和 MMIO 内存。

没有异常
- s1_pmp_exception 为全零，表示没有 PMP 异常。
通道 0 有 PMP 异常
- s1_pmp_exception(0) 为真，表示通道 0 有 PMP 异常。
通道 1 有 PMP 异常
- s1_pmp_exception(1) 为真，表示通道 1 有 PMP 异常。
通道 0 和通道 1 都有 PMP 异常
- s1_pmp_exception(0) 和 s1_pmp_exception(1) 都为真，表示通道 0 和通道 1 都有 PMP 异常。
没有映射到 MMIO 区域
- s1_pmp_mmio（0）和 s1_pmp_mergemmio（1）都为假，表示没有映射到 MMIO 区域。
通道 0 映射到了 MMIO 区域
- s1_pmp_mmio（0）为真，表示映射到了 MMIO 区域。
通道 1 映射到了 MMIO 区域
- s1_pmp_mmio（1）为真，表示映射到了 MMIO 区域。
通道 0 和通道 1 都映射到了 MMIO 区域
- s1_pmp_mmio（0）和 s1_pmp_mmio（1）都为真，表示通道 0 和通道 1 都映射到了 MMIO 区域。

异常合并

将 s1_itlbmergeption 与 s1_pmp_exception 合并生成 s1_exception_out。
ITLB 异常通常优先于 PMP 异常。merge

没有异常
- s1_exception_out 为全零，表示没有异常。
只有 ITLB 异常
- s1_exception_out 和 s1_itlb_exception 一致
只有 PMP 异常
- s1_exception_out 和 s1_pmp_exception 一致
ITLB 与 PMP 异常同时出现

itlb has the highest priority, pmp next
- s1_exception_out 和 s1_itlb_exception 一致

MSHR 匹配和数据选择

检查当前的请求是否与 MSHR 中正在处理的缺失请求匹配。
判断缓存组索引相同(s1_req_vSetIdx(i) == fromMSHR.bits.vSetIdx) ，物理标签相同 (s1_req_ptags(i) == fromMSHR.bits.blkPaddr)；若匹配 MSHR 有效且没有错误（fromMSHR.valid && !fromMSHR.bits.corrupt），则优先使用 MSHR 中的数据
避免重复访问 Data SRAM，提升性能；当 MSHR 中已有重填结果时，可立即命中。

命中 MSHR

MSHR 中已有正确数据时，S1 阶段能直接拿到
s1_MSHR_hits(i) 为 true 时，s1_datas(i) 为 s1_bankMSHRHit(i)，s1_data_is_from_MSHR(i) 为 true

未命中 MSHR

MSHR 中存放的地址与当前请求不同，那么应该读取 SRAM 的数据
s1_MSHR_hits(i) 为 true 时，s1_datas(i) 为 fromData.datas(i)，s1_data_is_from_MSHR(i) 为 false

MSHR 数据 corrupt

fromMSHR.bits.corrupt = true，那么 MSHR 将不匹配，应该读取 SRAM 的数据
s1_datas(i) 为 fromData.datas(i)，s1_data_is_from_MSHR(i) 为 false

Data ECC 校验

在 S2 阶段，对从 S1 或 MSHR 获得的数据（如 s2_datas）进行 ECC 校验：

若 ECC 校验失败，则标记 s2_data_corrupt(i) = true。
若数据来自 MSHR，则不重复进行 ECC 校验（或忽略 corrupt）

无 ECC 错误

s2_bank 全部没有损坏，bank 也选对了对应的端口和 bank，数据不来自 MSHR
s2_data_corrupt(i) 为 false，没有 ECC 错误。

单 Bank ECC 错误

s2_bank_corrupt(bank) 有一个为 true ,即对应的 bank 有损坏；同时 bank 也选对了对应的端口和 bank，数据不来自 MSHR
s2_data_corrupt(i)， io.errors(i).valid， io.errors(i).bits.report_to_beu， io.errors(i).bits.source.data 为 true。

多 Bank ECC 错误

s2_bank_corrupt(bank) 有两个或以上为 true,即对应的 bank 有损坏；同时 bank 也选对了对应的端口和 bank，数据不来自 MSHR
s2_data_corrupt(i)， io.errors(i).valid， io.errors(i).bits.report_to_beu， io.errors(i).bits.source.data 为 true。

ECC 功能关闭

当奇偶校验关闭时（ecc_enable 为低），强制清除 s2_data_corrupt 信号置位。
不管是否发生 ECC 错误，s2_data_corrupt 都为假。

冲刷 MetaArray

Meta 或者 Data ECC 校验错误时，会冲刷 MetaArray，为重取做准备。

只有 Meta ECC 校验错误

if is meta corrupt, clear all way (since waymask may be unreliable)

当 s1_meta_corrupt 为真时，MetaArray 的所有路都会被冲刷。
toMetaFlush(i).valid 为真，toMetaFlush(i).bits.waymask 对应端口的所有路置位。

只有 Data ECC 校验错误

if is data corrupt, only clear the way that has error

当 s2_data_corrupt 为真时，只有对应路会被冲刷。
toMetaFlush(i).valid 为真，toMetaFlush(i).bits.waymask 对应端口的对应路置位。

同时有 Meta ECC 校验错误和 Data ECC 校验错误

处理 Meta ECC 的优先级更高，将 MetaArray 的所有路冲刷。
toMetaFlush(i).valid 为真，toMetaFlush(i).bits.waymask 对应端口的所有路置位。

监控 MSHR 匹配与数据更新

判断是否命中 MSHR
根据 MSHR 是否命中和 s1 阶段是否发射来更新 s2 的数据，s2 的命中状态和 l2 是否损坏

MSHR 命中（匹配且本阶段有效）

MSHR 的 vSetIdx / blkPaddr 与 S2 请求一致， fromMSHR.valid 有效，s2_valid 也有效
s2_MSHR_match，s2_MSHR_hits 为高，s2_bankMSHRHit 对应 bank 为高
s1_fire 无效时，s2_datas 更新为 MSHR 的数据，将 s2_data_is_from_MSHR 对应位置位，s2_hits 置位，清除 s2_data_corrupt，l2 的 corrupt 更新为 fromMSHR.bits.corrupt
s1_fire 有效时，s2_datas 为 s1_datas 的数据，将 s2_data_is_from_MSHR 对应位置为 s1 的 s1_data_is_from_MSHR，s2_hits 置为 s1_hits，清除 s2_data_corrupt，l2 的 corrupt 为 false

MSHR 未命中

MSHR 的 vSetIdx / blkPaddr 与 S2 请求一致， fromMSHR.valid 有效，s2_valid 也有效，至少有一个未达成
s2_MSHR_hits(i) = false，S2 不会更新 s2_datas，继续保持原先 SRAM 数据或进入 Miss 流程。

Miss 请求发送逻辑和合并异常

通过计算 s2_should_fetch(i) 判断是否需要向 MSHR 发送 Miss 请求：
- 当出现未命中 (!s2_hits(i)) 或 ECC 错误(s2_meta_corrupt(i) || s2_data_corrupt(i)) 时，需要请求重新获取。
- 若端口存在异常或处于 MMIO 区域，则不发送 Miss 请求。
使用 Arbiter 将多个端口的请求合并后发送至 MSHR。
通过 s2_has_send(i) 避免重复请求。
将 S2 阶段已有的 ITLB/PMP 异常（s2_exception）与 L2 Cache 报告的 s2_l2_corrupt(i)（封装后为 s2_l2_exception(i)）进行合并。

未发生 Miss

当 s2_hits(i) 为高（s2 已经命中），s2 的 meta 和 data 都没有错误，s2 异常，处于 mmio 区域
以上条件至少满足一个时，s2_should_fetch(i) 为低，表示不发送 Miss 请求。

单口 Miss

当出现未命中 (!s2_hits(i)) 或 ECC 错误(s2_meta_corrupt(i) || s2_data_corrupt(i))，端口不存在异常且未处于 MMIO 区域时，会向 MSHR 发送 Miss 请求。
toMSHRArbiter.io.in(i).valid = true ，Arbiter 只发送一条 Miss 请求。

双口都需要 Miss

同上，但是两个端口都满足 s2_should_fetch 为高的条件。
toMSHRArbiter.io.in(0).valid、toMSHRArbiter.io.in(1).valid 均为 true，Arbiter 根据仲裁顺序依次发出请求。

重复请求屏蔽

当 s1_fire 为高，表示可以进入 s2 阶段,那么 s2 还没有发送 s2_has_send(i) := false.B
如果已经有请求发送了，那么对应的 toMSHRArbiter.io.in(i).fire 为高，表示对应的请求可以发送，s2_has_send(i) := true。
此时再次发送，toMSHRArbiter.io.in(i).valid 为低，表示发送失败。

仅 ITLB/PMP 异常

S1 阶段已记录了 ITLB 或 PMP 异常，L2 corrupt = false。
2_exception_out 仅保留 ITLB/PMP 异常标记，无新增 AF 异常。

仅 L2 异常

S2 阶段 s2_l2_corrupt(i) = true，且无 ITLB/PMP 异常。
s2_exception_out(i) 表示 L2 访问错误(AF)。

ITLB + L2 同时出现

同时触发 ITLB 异常和 L2 corrupt。
s2_exception_out 优先保留 ITLB 异常类型，不被 L2 覆盖。

s2 阶段取指完成

s2_should_fetch 的所有端口都为低，表示需要取指，那么取指完成
s2_fetch_finish 为高

响应 IFU

若当前周期 S2 成功发射（s2_fire = true）且数据获取完毕（s2_fetch_finish），则把数据、异常信息、物理地址等打包到 toIFU.bits 输出。
若为双行请求（s2_doubleline = true），也会向 IFU 发送第二路的信息（地址、异常）。

正常命中并返回

不存在任何异常或 Miss，s2 命中，s2 阶段取指完成，外部的 respStall 停止信号也为低。
toIFU.valid = true，toIFU.bits.data 为正确的 Cacheline 数据，toIFU.bits.exception、pmp_mmio、itlb_pbmt = none。

异常返回

设置 ITLB、PMP、或 L2 corrupt 异常。
toIFU.bits.exception(i) = 对应异常类型，pmp_mmio、itlb_pbmt 根据是否有对应的异常设置为 true。

跨行取指

s2_doubleline = true，同时检查第一路、第二路返回情况。
toIFU.bits.doubleline = true。
若第二路正常，toIFU.bits.exception(1) = none；若第二路异常，则 exception(1) 标记相应类型。
pmp_mmio、itlb_pbmt 类似。

RespStall

外部 io.respStall = true，导致 S2 阶段无法发射到 IFU。
s2_fire = false，toIFU.valid 也不拉高，S2 保持原状态等待下一拍（或直到 respStall 解除）。

L2 Corrupt 报告

当检测到 L2 Cache 返回的 corrupt 标记时（s2_l2_corrupt(i) = true），在 S2 完成发射后额外向外部错误接口 io.errors(i) 报告。
与 Data ECC 或 Meta ECC 不同，L2 corrupt 由 L2 自己报告给 BEU，这里不需要再次报告给 beu。

L2 Corrupt 单路

s2 阶段准备完成可以发射（s2_fire 为高），s2_MSHR_hits(0)和 fromMSHR.bits.corrupt 为高
s2_l2_corrupt(0) = true，io.errors(0).valid = true，io.errors(0).bits.source.l2 = true。

双路同时 corrupt

端口 0 和端口 1 都从 L2 corrupt 数据中获取。
s2_l2_corrupt 均为 true，发射后分别报告到 io.errors(0) 和 io.errors(1)。

刷新机制

io.flush：外部的全局刷新信号，它用于指示整个流水线需要被冲刷（清空）。
s0_flush： S0 阶段内部的刷新信号，它由 io.flush 传递而来，用于控制 S0 阶段的刷新操作。
s1_flush： S1 阶段内部的刷新信号，它由 io.flush 传递而来，用于控制 S1 阶段的刷新操作。
s2_flush： S2 阶段内部的刷新信号，它由 io.flush 传递而来，用于控制 S2 阶段的刷新操作。

全局刷新

io.flush 被激活时，流水线的各个阶段（S0, S1 和 S2）都能正确响应并执行刷新操作。
io.flush = true。
s0_flush, s1_flush, s2_flush = true。

S0 阶段刷新

s0_flush = true。
s0_fire = false。

S1 阶段刷新

s1_flush = true。
s1_valid， s1_fire = false。

S2 阶段刷新

s2_flush = true。
s2_valid， toMSHRArbiter.io.in(i).valid ， s2_fire = false

最后修改 April 3, 2025: ICache verify enviroment and docs added. (#111) (904f80b)