IDU-指令译码单元

1、 IDU简介

IDU是玄铁C910中负责指令译码、寄存器重命名、派遣和发射逻辑的单元，主要划分为四级流水级，分别为ID、IR、IS、RF，玄铁C910中流水线分为控制通路和数据通路。本文将从流水级从前到后的顺序，介绍玄铁C910译码单元逻辑设计，以及在玄铁C910基础上进行扩展四发射所涉及逻辑。

2、指令译码（id）

(1)指令类型

玄铁C910中支持的指令集分为RV基础指令集(IMAFDC)以及玄铁扩展指令集。根据指令类型，玄铁C910的译码单元将指令分为4种，分别为normal、split_short、split_long、fence。在译码单元中，标准的RISC-V指令会被分解成微操作(uop)。

类型	Uop数量
Normal	1
Split_short	2
Split_long	1~5
fence	特殊指令

其中，Split_long和fence类型指令由于其特殊性，只作为inst0译码，当周期只能译码一条指令。在玄铁C910中，split_long类型的指令只有原子指令一种，其译码由状态机控制，如果分解出了5条微操作，那么在当周期无法全部pipe到下一级，会寄存一拍。

译码单元对应的分为normal、split_short、split_long、fence四种，玄铁C910采用并行的数据通路的设计，以面积换取时序，共有三组译码单元，第一组可译码split_long和fence类型的指令，其他两组为normal和short。

(2)指令回填

在玄铁C910中，ID级负责将IB级pipe的指令进行译码，其遵循一次回填三条的原则。如IB级pipe了三条指令，而ID级只能译码两条，那么下周期IB级不再向ID级发送指令，ID级将剩余的指令进行移位处理，下一周期只译码剩余的指令。

指令回填的逻辑由ctrl_id_pipedown_x_inst信号控制，主要的回填逻辑如下表

ctrl_id_pipedown_1_inst	1. inst0是normal或short，inst1是fence或者long2. inst0是long或者fence且id级没有发生stall
ctrl_id_pipedown_2_inst	inst0/1都是normal或者short 且1. inst0和inst1都是short，inst2是normal2. inst0,1,2都是short类型3. inst2是long或者fence类型
ctrl_id_pipedown_3_inst	Inst0,1,2中不能有fence或者long类型指令且inst 0,1,2不能有两条及以上的short类型

(3)微操作数量判定

译码级译码出的微操作数量最大为4条，因此译码级pipedown的微操作取决于id级的指令类型。在玄铁C910中，pipedown的uop的vld为

ctrl_id_pipedown_instx_vld

其主要判断逻辑为if-else逻辑，对于每条微操作的vld，从inst0指令类型判断到inst2指令类型。

对于uop0:

Uop0只需考虑inst0指令类型，因为是并行的译码通路，vld信号经过一个选择器

对应关系为

其中long_ vld[x] long类型的指令译码出的第几条微操作是否有效。

fence_ctrl_instx_vld:取决于fence状态机，在此简单介绍：

fence指令需要等待之前所有的指令都退休了，才能进行后续的指令译码。

fence_ctrl_inst0_vld表示，fence状态机到了issue状态，表示后续指令可以继续译码和pipe了。

fence_ctrl_inst1_vld 和fence_ctrl_inst2_vld为高时，fence 指令类型为FENCE.I指令以及玄铁扩展的虚拟内存广播指令以及状态机为issue状态。

ctrl_id_pipedown_x_inst信号在判定中作用很大，在考虑这个信号的基础上判断是否有效

Uop1需要考虑inst0和inst1

Uop2考虑inst0,1,2

(4)stall逻辑

Stall逻辑主要包括

1、 ir stall：ir级发生stall会同时stall ID级

2、 split_long stall：在开源版本中只有一种，原子指令译码出5条微操作时会产生此种stall。

3、 id bypass stall：发生了ir stall 或者当周期不能pipe3条指令时发生此stall。

Fence、long以及ir stall 三种会产生ID级pipedown stall。

(5)四发射修改

对四发射主要逻辑修改与上述所列类似，主要包括指令回填以及指令pipe

1、指令回填主要逻辑表格如下:

ctrl_id_pipedown_1_inst	3. inst0是normal或short，inst1是fence或者long 4. inst0是long或者fence且id级没有发生stall
ctrl_id_pipedown_2_inst	4. inst0/1都是normal或者short 且inst2是long或者fence 5. inst0/1都是short，inst2是short/long/fence
ctrl_id_pipedown_3_inst	1. inst 0,1,2 两个short一个normal 2. inst 0,1,2 一个short两个normal且inst3 fence或long 3. inst 0,1,2 三个normal且inst3是fence或者long
ctrl_id_pipedown_4_inst	1. inst0,1,2,3中最多有一个short，其他都是normal且不能有fence也不能有long

2、微操作pipe主要逻辑如下:

3、指令重命名和预派遣（IR）

(1) 指令队列

在IS级派遣指令前，需要根据指令信息决定要派遣到的队列，在指令译码后，根据指令类型将指令分别送往7条队列，每个队列有两个写入端口分别为c0和c1，c0从队列左侧写入，c1从队列右侧写入。对于可以派遣到两条队列的指令，如某些AIQ0和AIQ1都能派遣的指令，优先级为A0c0>A1c0>A0c1>A1c1。

指令队列	表项数	指令发射的执行级
AIQ0	8	ALU、DIV、SPECIAL
AIQ1	8	ALU和MUL
BIQ	12	BIU
LSIQ	12	LSU
SDIQ	12	LSU
VIQ0	8	FALU、FMUL和FDIV
VIQ1	8	FALU和FMUL指令

(2) Stall和反馈机制

由于每个队列只有两个写入端口和一个写出端口，因此当同周期出现三条及以上某队列类型的指令时，当周期无法将全部的指令写入到指令队列中，如果直接stall流水线会造成性能损失。因此玄铁C910中加入了反馈机制，在ir和is两级流水之间增加反馈判断逻辑。

1、 typestall处理

stall分为 ir_stage_stall 和type_stall

其中type_stall可以通过反馈机制优化

当ir和is 的指令数量＜4条时，可以反馈来避免stall

反馈信号主要是

ctrl_xx_is_inst0_sel[0] 表示is级pipe了2条（说明is级有3条同类型指令）

ctrl_xx_is_inst0_sel[1] 表示is 级不是pipe了两条

当is级pipe了两条时，以下两种情况会发生stall

如果is inst3 vld（说明is级pipe了两条，剩了2条 (inst2 inst3)指令）且 ir级inst2 vld(说明ir有3条及以上(0,1,2)的指令)，此时超过了最大微操作数量4条，因此需要stall流水线。

如果is inst3 不vld（说明is级剩(inst2 )的指令）且 ir级inst3 vld(说明ir有4条及 (0,1,2,3)指令，超过最大微操作数量4，因此stall流水线。

ctrl_xx_is_inst_sel[0]	Is pipe两条且is inst3 vld (说明剩了2,3两条uop)
ctrl_xx_is_inst_sel[1]	Is pipe两条且！is inst3 vld(说明剩了2一条uop)
ctrl_xx_is_inst_sel[2]	没有发生typestall的情况

(3) 动态平衡

对于AIQ0和AIQ1 以及VIQ0和VIQ1，因为存在aqi01和viq01类型的指令，而写入优先级总是A0＞A1，因此aiq0和viq0中的指令数量会变多，增加stall的风险，因此玄铁c910中加入了动态平衡机制来解决这个问题

动态平衡机制通过对队列表项进行计数来实现。可以通过cp0配置信号来开启和关闭。

有两种情况会使能

1、 AIQ0(VIQ0)中表项数量为8且AIQ1(VIQ1)中表项数为0

2、 AIQ0(VIQ0)中表项数量和AIQ1(VIQ1)表项数量相差 2~7个之间。

这两种情况下会把AIQ01(VIQ01)变成AIQ1(VIQ1)类型的指令，然后再进行预派遣。

(4) 指令派遣

指令派遣逻辑主要分为两部分，队列端口的enable信号和队列端口要写入哪条指令的sel信号。其中AIQ和VIQ两条队列是特殊的，因为存在AIQ01和VIQ01类型的指令，因此在逻辑判断上要更复杂。

1、AIQ/VIQ队列端口的使能逻辑

a0c0	4条uop中有一条及以上的aiq0或者aiq01类型指令
a1c0	1、1条及以上的aiq1类型指令2、1条及以上的aiq0类型指令且一条及以上的aiq01类型指令3、2条及以上的aiq01类型指令
a0c1	1、2条及以上的aiq0类型指令2、1条及以上的aiq0，1条及以上的aiq1,1条及以上aiq013、三条及以上的aiq01类型
a1c1	1、2条及以上的aiq1类型指令2、2条及以上的aiq0,且1条及以上的aiq1且1条及以上aiq013、2条及以上的aiq01且3.1、2条及以上aiq03.2、1条及以上的aiq0，一条及以上aiq14、3条及以上aiq01且1条aiq0或者1条aiq15、4条aiq01类型指令

2、 AIQ/VIQ指令队列的派遣逻辑

Sel逻辑用于数据通路选择对应的指令

3、其他队列端口的使能逻辑，以BIQ为例

按照inst0 – inst3的优先级分配端口即可。

(5) 指令折叠

指令折叠是玄铁C910中用来节约ROB表项的优化。AIQ0、AIQ1、AIQ01和VIQ0、VIQ1、VIQ01类型的指令可以进行fold，是否可以进行fold需要进行判定

assign ctrl_ir_pre_dis_inst0_fold = ctrl_ir_pre_dis_inst0_vld

&& ctrl_ir_inst0_fold

&& !ctrl_ir_inst0_split

&& !ctrl_ir_inst0_intmask

&& !rtu_idu_srt_en

&& !cp0_idu_rob_fold_disable;

Fold具有下面几种组合

ctrl_ir_pre_dis_inst01_fold

ctrl_ir_pre_dis_inst12_fold

ctrl_ir_pre_dis_inst23_fold

ctrl_ir_pre_dis_inst012_fold

ctrl_ir_pre_dis_inst123_fold

fold折叠必须要有连续2条以上可以fold的指令。

(6) ROB端口

在IR流水级中，会向ROB的表项中写入指令的相关信息，完成寄存器重命名过程。

在发生了指令折叠时，写入的是折叠的第一条指令的信息，同时记录折叠的指令数量。

所以虽然写入的都是折叠的第一条指令的信息，但是需要记录折叠情况，所有需要sel。

所以sel对应的数字其实没有特定意义，只是表示不同的情况，用于数据通路选择。

1、ROB 端口enable判断

2、ROB sel逻辑

3、 ROB IID逻辑

IID是表示指令先后顺序的标志位，也是ROB64个表项的索引。经过折叠的指令具有相同的iid。

4、指令队列

1、队列维护

队列的维护主要分为写入和弹出。写入在IS级写入，根据指令的类型送入不同的指令队列，写入端口为两个，pop端口为一个。队列会有表项数的计数，同时将信号传递个IR级进行DLB的控制。Create0的创建优先级为entry0-entry7，create1的创建优先级为entry7-entry1。

表项中主要维护以下内容：

① 年龄向量(agevec)

年龄向量是表示队列中表项的先后顺序的信号。队列的发射是顺序的，遵循先入先出原则，队列pop的指令是队列中最老的指令。

Create0和create1的年龄向量判断略有不同，因为在同一个周期中，create·0的指令一定比create1的指令要老。

2、队列bypass

队列中表项的src0，src1，src2

都可以bypass

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