FTB项与完整预测结果接口

FTB 项

FTB 项是香山中分支预测块的核心数据结构，它存储了生成一个分支预测块所需的信息。在BPU进行预测时，初始的分支预测块首先由一个读出的 FTB 项生成。然后，这个分支预测块会传递到后续的预测器中，后续的预测器会读取其中的信息并加以修改，生成最终的预测结果。

因此，要理解分支预测块的结构，首先需要理解FTB项的结构。一个FTB项对应着一个分支预测块，其大致结构如下：

首先，需要明确一个信息：无论是分支预测块还是FTB项，它们可以容纳的指令数量都被设定为一个特定的上限（在香山当前版本中为16条RVC指令），被称为最大预测长度。这意味着，如果我们需要记录分支预测块内某一条指令的位置，可以使用一个固定长度的位向量，来指定这条指令相对于预测块起始地址的偏移量。

分支预测块执行流程的决定因素是其中的分支指令信息。其余的指令都被视为普通指令，不影响程序的执行流。因此，在一个分支预测块中，我们只需记录下其中的分支指令位置即可，而普通指令的位置我们并不关心。

因此，FTB项中定义了两种类型的分支指令槽（slot）——brSlots和tailSlot，用于存储分支预测块中的分支指令。目前香山版本中，brSlots只含有一个 slot，而 tailSlot 则是一个单独的 slot，总计含有两个 slot。

在最大预测长度内的指令中，如果出现了分支指令，FTB项会将其记录在对应的slot内，并将该slot置为有效。如果分支指令出现过多，达到了FTB项的容纳上限，那么超出上限的分支指令则会交给下一个FTB项来存储。在每个 slot中，我们会记录一条分支指令相对于预测块起始地址的偏移量（offset），同时还会记录其跳转目标地址等信息。

唯一的 tailSlot

在RISC-V中，分支指令主要分为两种类型：条件分支和无条件跳转。因此，对于一个分支预测块来说，最多只会包含一条无条件跳转指令。因为一旦执行到这条指令，程序的执行流就会发生改变，后续的指令将不再执行。因此，我们定义了一种类型的 slot 叫做 tailSlot，专门用来存储这条无条件跳转指令。而对于条件分支指令，则将它们存储在brSlots中。

tailSlot如其名，位于整个预测块中的最后一个 slot。这也是因为一旦填充了无条件跳转指令，程序必定跳转，之后的指令就由其他预测块进行处理，因此后续的指令情况我们无需关心。但在无条件跳转指令之前的指令中，我们需要关心是否存在条件分支指令，因为条件分支指令既有可能跳转，也有可能不跳转。因此，我们需要记录下条件分支指令的相关信息。

tailSlot 共享

考虑一种情况：如果从预测块起始PC开始直到最大预测长度，都没有出现无条件跳转指令，反而出现了两条条件分支指令，这样一来，tailSlot 就会空闲，而第二条条件分支指令又无法存储，造成空间的浪费。

为了解决这个问题，香山采用了一种方法：设置一个 sharing 标记。我们可以直接将第二条分支指令存储到tailSlot 中，并将sharing标记设置为真，表示第二条条件分支指令共享了无条件跳转指令的 tailSlot。这样，就有效利用了tailSlot的空间。

预测块中的 isCall、isRet和isJalr字段是为tailSlot服务的。如果tailSlot中记录的是无条件跳转指令，这几个字段会进一步指示该跳转指令的类型。在FTB项中还有一个字段 always_taken，用来记录每个Slot中存储的条件分支指令是否总是被预测为跳转。如果是的话，后续的预测器可以直接采用这一预测结果。

通过FTB项，我们可以得知一个分支预测块中的指令情况，包括分支指令的位置、类型等。这些信息会交给后续的预测器，由后续的预测器来预测更为精确的跳转目标、是否跳转等信息。

FTB 项完整结构 （FTBEntry）

接口定义: src/main/scala/xiangshan/frontend/FTB.scala

本节中描述了 FTB 项的完整结构定义，其所含的信号如下：

• valid: FTB表项是否有效。
  • 接口类型: Bool
• brSlots: 条件分支指令槽。
  • 接口类型: Vec(numBrSlot, new FtbSlot(BR_OFFSET_LEN)) （接口列表详见FtbSlot）
• tailSlot: 无条件跳转指令槽。
  • 接口类型: new FtbSlot(JMP_OFFSET_LEN, Some(BR_OFFSET_LEN)) （接口列表详见FtbSlot）
• pftAddr: 预测块的结束地址。
  • 接口类型: UInt(log2Up(PredictWidth).W)
• carry: 预测块的结束地址进位。
  • 接口类型: Bool()
• isCall: 无条件跳转指令槽中的指令为 call 指令。
  • 接口类型: Bool()
• isRet: 无条件跳转指令槽中的指令为 ret 指令。
  • 接口类型: Bool()
• isJalr: 无条件跳转指令槽中的指令为 jalr 指令。
  • 接口类型: Bool()
• last_may_be_rvi_call: 无条件跳转指令槽中的指令可能为一个 RVI 类型的 call 指令信号。
  • 接口类型: Bool()
• always_taken: 该预测块中的每个分支指令是否总是被预测为 Taken。
  • 接口类型: Vec(numBr, Bool())

说明：pftAddr 和 carry

在这里，pftAddr是Partial Fallthrough Addr的缩写。Fallthrough Addr 表示，如果预测块中没有跳转，那么程序将会顺序执行到达的地址。换句话说，如果一条无条件跳转指令的偏移为5，那么 Fallthrough Addr 对应的偏移便是6。这一信号主要用于获取函数调用后程序的返回地址，可以将这一概念理解为预测块的结束地址。

Partial 表示部分地址，这是由地址的表示方法决定的。在这里，地址的表示方法如下：

  pc: | ... |<-- log(predictWidth) -->|<-- log(instBytes) -->|
           ^                         ^
           |                         |
           carryPos                  instOffsetBits

pftAddr 便是只记录了中间的偏移部分（即长度为 log(predictWidth) 的部分），之后结合当前 PC 才能生成完整 PC。但由于有可能产生进位，因此单独记录一个 carry 位，carryPos 是预测块中的指令地址中 会产生进位的位置

另外，last_may_be_rvi_call 也是对该地址的一个辅助信号，表示无条件跳转指令槽中的指令是一个RVI类型的 call 指令。由于pftAddr在计算时默认认为指令长度为压缩指令长度，因此计算结束地址只会加 2 字节。但如果实际的call指令并不是压缩指令，就会导致返回地址计算错误。RAS会根据这一信号修正这个错误。

分支预测槽 （FTBSlot）

接口定义: src/main/scala/xiangshan/frontend/FTB.scala

该接口定义了 FTB 表项中 slot：

• offset: 该 slot 中指令相对于预测块起始地址的偏移
  • 接口类型：UInt(log2Ceil(PredictWidth).W)
• lower: 跳转目标地址的低位。
  • 接口类型：UInt(offsetLen.W)
  • 说明：这里设置 lower 为 12 位或 20 位，因为分支指令的寻址能力为 12 位，而跳转指令的寻址能力为 20 位
• tarStat: 跳转后的 pc 高位是否进退位
  • 接口类型：UInt(TAR_STAT_SZ.W)（TAR_STAT_SZ = 2）
  • 说明：跳转目标地址由当前 PC 的高位、tarState 以及 lower 字段共同计算得出，其中，lower 字段直接存储了跳转目标地址的低位。当前的 PC 高位经过 tarStat 指导进行进退位之后，直接与 lower 拼接便可得到真正的跳转目标地址。tarStat 共有三个可能的取值：0 - 不进不退, 1 - 进位, 2 - 退位。
• sharing: 无条件跳转指令槽中存储了一条条件分支指令。
  • 接口类型：Bool()
• valid: slot 有效位。
  • 接口类型：Bool()

完整分支预测结果 (FullBranchPrediction)

• 接口定义: src/main/scala/xiangshan/frontend/FrontendBundle.scala

该接口定义了完整的分支预测结果，每流水级预测结果中都会包含该接口。

完整分支预测结果接口与 FTB 项相差无几，并最初由 FTB 项生成。两个Slot被拆分成了单独的信号：slot_valids, targets, offsets, is_br_sharing 等，另外增加了若干字段例如 br_taken_mask, jar_target 便于后续预测器提供精确预测结果，另外 hit 表示 FTB 项是否命中，即本轮预测中的 PC 索引到了某个 FTB 项。

完整接口列表如下：

• hit FTB表项是否命中

  • 接口类型：Bool()

• slot_valids slot有效位，表示 ftb 项中的每个 slot 是否有效

  • 接口类型：Vec(totalSlot, Bool())

• targets 每个 slot 对应的跳转目标地址

  • 接口类型：Vec(totalSlot, UInt(VAddrBits.W))

• offsets 每个 slot 中的指令相对于预测块起始地址的偏移

  • 接口类型：Vec(totalSlot, UInt(log2Ceil(PredictWidth).W))

• fallThroughAddr 预测块的结束地址

  • 接口类型：UInt(VAddrBits.W)

• fallThroughErr FTB项中记录的 pftAddr 有误

  • 接口类型：Bool()

• is_jal 预测块内包含jal指令

  • 接口类型：Bool()

• is_jalr 预测块内包含jalr指令

  • 接口类型：Bool()

• is_call 预测块内包含call指令

  • 接口类型：Bool()

• is_ret 预测块内包含ret指令

  • 接口类型：Bool()

• last_may_be_rvi_call 无条件跳转指令槽中的指令可能为一个 RVI 类型的 call 指令信号。

  • 接口类型：Bool()

• is_br_sharing 最后一个slot (tailSlot) 中存储的是条件分支指令信号

  • 接口类型：Bool()

• br_taken_mask 分支预测结果，每个分支(slot)对应一位，表示该分支是否被预测为 taken

  • 接口类型：Vec(numBr, Bool())

• jalr_target 本预测块中的 jalr 的跳转目标

  • 接口类型：UInt(VAddrBits.W)