RISC-V 译码级设计

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Decode RISC-V 译码级设计

RISCV ID Stage 各个功能部件设计

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压缩指令译码(compress decoder)

用于将压缩指令恢复成 32 bits 的正常指令，再送往 decoder 进行译码，压缩指令详细说明见压缩指令

译码控制(Decoder)

  1. 输入接口

    Name Source Description
    instruction[31:0] IR 待译码的指令

  2. 输出接口

    Name Target Description
    immType[2:0] EU 立即数类型
    rs1[4:0] RF register source1 index
    rs2[4:0] RF register source2 index
    branchType[2:0] SBP, ID/EXE pipeline 分支类型
    rd[4:0] ID/EXE pipeline register destination index
    aluOp[4:0] ID/EXE pipeline ALU 执行的操作
    dMemWriteEn ID/EXE pipeline ALU 执行的操作
    dMemType[3:0] ID/EXE pipeline ALU 执行的操作
    regWBEn ID/EXE pipeline 写使能
    regWBSrc[1:0] ID/EXE pipeline 一直传递到 WB stage，用于选择写回的数据来源

  3. 模块功能

    Decoder 对输入的指令进行译码，生成流水线上其它模块的控制信号

    1. 根据 instruction 的 opcode, funct3 和 funct7 得到指令的类型：opcode -> funct3 -> funct7

      • opcode=instr[6:2], funct3=instr[14:12], funct7=instr[30]

      opcode 一共 7bits，其中低 2bits 恒为 11，只有高 5bits 不同

      \(opcode_{[6:0]}\) Instruction Opcode Type Instruction Amount Relative Instructions
      0000011 OPCODE_LOAD 5 LB, BH, LW, LBU, LHU
      0010011 OPCODE_OP_IMM 9 ADDI, SLTI, SLTIU, XORI, ORI, ANDI, SLLI, SRLI, SRAI
      0010111 OPCODE_AUIPC 1 AUIPC
      0100011 OPCODE_STORE 3 SB, SH, SW
      0110011 OPCODE_RTYPE 18 ADD, SUB, SLT, SLTU, XOR, OR, AND, SLL, SRL, SRA, MUL, MULH, MULHSU, MULHU, DIV, DIVU, REM, REMU
      0110111 OPCODE_LUI 1 LUI
      1100011 OPCODE_BRANCH 6 BEQ, BNE, BLT, BGE, BLTU, BGEU
      1100111 OPCODE_JALR 1 JALR
      1101111 OPCODE_JAL 1 JAL

    2. 由指令类型得到 immType, branchType, aluOp, dMemType, dMemWriteEn, regWBEn, regWBSrc

      1. immType:

        immType Amount Instruction opcode
        IMM_U 2 OPCODE_LUI, OPCODE_AUIPC
        IMM_J 1 OPCODE_JAL
        IMM_I 15 OPCODE_OP_IMM, OPCODE_LOAD, OPCODE_JALR
        IMM_B 6 OPCODE_BRANCH
        IMM_S 3 OPCODE_STORE
        IMM_NO 18 OPCODE_RTYPE

      2. dMemType, dMemWriteEn

        Instructions opcode funct3 dMemType dMemWriteEn
        01000 000
        001
        010        		 MEM_SB
        MEM_SH
        MEM_SW        		 1
        00000 000
        001
        010
        100
        101        		 MEM_LH
        MEM_LB
        MEM_LW
        MEM_LBU
        MEM_LHU        		 0
        others xxx MEM_NO 0

      3. regWBEn

        regWBEn Amount Instruction opcode
        0 9 01000, 11000
        1 36 others

      4. regWBSrc

        regWBSrc Amount Instruction opcode
        WBSrc_aluResult 37 others
        WBSrc_dMemReadData 5 00000
        WBSrc_extendedImm 1 01101
        WBSrc_pcPlus4 2 11001, 11011

      5. branchType

        • branchBType: OPCODE_BRANCH
        • branchJAL: OPCODE_JAL
        • branchJALR: OPCODE_JALR

      6. aluOp

        Instruction Opcode Type funct3(funct7) Relative Instructions aluOp
        OPCODE_LOAD 000
        001

        010
        100
        101        		 LB
        BH
        LW
        LBU
        LHU        		 ALUOP_ADD
        OPCODE_OP_IMM 000
        010
        011
        100
        110
        111
        001
        101(0)
        101(1)        		 ADDI
        SLTI
        SLTIU
        XORI
        ORI
        ANDI
        SLLI
        SRLI
        SRAI        		 ALUOP_ADD
        ALUOP_SLT
        ALUOP_SLTU
        ALUOP_XOR
        ALUOP_OR
        ALUOP_AND
        ALUOP_SLL
        ALUOP_SRL
        ALUOP_SRA
        OPCODE_AUIPC
        rs1=pc        		 AUIPC ALUOP_ADD
        OPCODE_STORE 000
        001
        010        		 SB
        SH
        SW        		 ALUOP_ADD
        OPCODE_RTYPE(instr[25]==0)
        rd2=register file        		 000(0)
        000(1)
        001
        010
        011
        100
        101(0)
        101(1)
        110
        111        		 ADD
        SUB
        SLL
        SLT
        SLTU
        XOR
        SRL
        SRA
        OR
        AND        		 ALUOP_ADD
        ALUOP_SUB
        ALUOP_SLL
        ALUOP_SLT
        ALUOP_SLTU
        ALUOP_XOR
        ALUOP_SRL
        ALUOP_SRA
        ALUOP_OR
        ALUOP_AND
        OPCODE_RTYPE(instr[25]==1)
        rd2=register file        		 000
        001
        010
        011
        100
        101
        110
        111        		 MUL
        MULH
        MULHSU
        MULHU
        DIV
        DIVU
        REM
        REMU        		 ALUOP_MUL
        ALUOP_MULH
        ALUOP_MULHSU
        ALUOP_MULHU
        ALUOP_DIV
        ALUOP_DIVU
        ALUOP_REM
        ALUOP_REMU
        OPCODE_LUI LUI ALUOP_ADD
        OPCODE_BRANCH
        rs2=register file        		 000
        001
        100
        101
        110
        111        		 BEQ
        BNE
        BLT
        BGE
        BLTU
        BGEU        		 ALUOP_SUB
        ALUOP_SUB
        ALUOP_SLT
        ALUOP_SLT
        ALUOP_SLTU
        ALUOP_SLTU
        OPCODE_JALR JALR ALUOP_ADD
        OPCODE_JAL
        		 JAL ALUOP_ADD

      7. JAL, JALR, Branch 设计到的计算部件

        跳转预测 跳转确认 跳转 PC 计算 pc=pc+4
        JAL SBP 不需要确认 SBP IF->ID->EXE
        JALR SBP 不需要确认 PC=alu_result & ~1 IF->ID->EXE
        Branch SBP ALU 确认跳转方向 SBP IF->ID->EXE
        • JAL 指令: SBP 可以 100%预测其跳转的方向和 PC，ALU 不需要做额外的计算
        • JALR 指令: 当 rd 为 x0、x1 或者是没有数据依赖时，SBP 可以 100%判断跳转方向和 PC；若 rd 存在数据依赖，则 SBP 知道 JALR 跳转，但是不会判断它跳转，也不会计算目的 PC，需要由 ALU 计算跳转的 PC 和判断跳转，发送给 IF。
        • Branch 指令: SBP 不可以 100%预测跳转方向，但是可以 100%计算出重定向 PC，需要 ALU 判断跳转方向是否正确

    3. 根据 instruction 得到 rs1, rs2 和 rd: rs2=instr[24:20], rs1=[19:15], rd=instr[11:7]

静态分支预测 SBP(Static Branch Predictor)

  1. RF(register File)异步读出、同步写入

  2. 静态分支预测 SBP(static branch prediction)

    • JAL: SBP 预测taken=1，且pc=pc+offset，ID 需要输出 flush 信号来清楚 prefetch 的 2 条指令，具体表现为设置 IF/ID, ID/EXE pipeline register flush=1
    • b-type: 采取 BTFN(backward taken, forward not taken), 且pc=pc+offset
    • JALR: 分情况讨论
      • 如果 rs1 是 x0,或者 rs1 没有数据依赖：SBP 预测taken=1，且pc=(rd+offset)&~1
      • 如果 rs1 有数据依赖：SBP 预测taken=0

  3. bypass: ID 级根据 Hazard 的信号，在需要 bypass 的时候，选择合适的 bypass 信号取代 RF 里读出去的运算数

  4. 输入接口

    Name Source Description
    PC[31:0] IF/ID pipeline 用于计算重定向 PC
    rs1[31:0] 4x1 Mux 用于计算重定向 PC
    offset[31:0] EU 用于计算重定向 PC
    branchType[2:0] Decoder branchType[0]==1 -> JAL
    branchType[1]==1 -> JALR
    branchType[2]==1 -> B-Type

  5. 输出接口

    Name Target Description
    RPC[31:0] IF Stage Redirection PC
    taken IF Stage, ID/EXE pipeline 预测跳转是否发生, ALU 会计算实际跳转是否发生并且与此预测结果比较

  6. 模块功能

    若 decoder 译码之后判断指令是分支指令，则 SBP 需要根据静态分支预测的规则，生成重定向 PC，发送给 IF 级。SBP 具体做了如下两个任务：

    1. 判断是否需要跳转 prediction

      • JAL, JALR: taken=1
      • B-TYpe: forward not taken, backward taken, 根据 offset 正负号来判断, taken=offset[31]

    2. 计算跳转的方向 calculation

      • JAL, B-Type: RPC=PC+offset
      • JALR: RPC=(rs1+offset) & 0xfffffffe

    3. ** 在计算 JARL 指令的新的 pc 地址的时候，需要访问寄存器，但是寄存器的值可能会跟前面的指令存在数据依赖，此时有两种方法**来解决：

      • 利用 bypass 来结局数据依赖问题之后，再在 SBP 中计算目的 pc，该方法可能会导致 ID 关键路径太长
      • 仅在 rs1=x0, x1 的时候计算 JALR 的目的 pc，其余情况下若存在数据依赖，则预判 JALR 不跳转，在 EXE 中计算正确的目的 pc

    前者 JALR 指令预测准确率 100%，但是 ID 级关键路径长；后者 JALR 指令预测率稍低但是 ID 关键路径短

RF(Register File)

  1. 输入接口

    Name Source Description
    rs1[4:0] Decoder register source1 index
    rs2[4:0] Decoder register source2 index
    rd[4:0] WB pipeline register destination index
    regWBData[31:0] WB pipeline 待写回到 RF 的数据
    regWBEn WB pipeline 写使能

  2. 输出接口

    Name Target Description
    rs1 4x1 Mux 从 RF 中读出的操作数 1
    RD2 4x1 Mux 从 RF 中读出的操作数 2

  3. 模块功能

    RF 支持在任意时刻读出数据，它有两个读端口，一个写端口（写数据的时候必须在 clk 上升沿且写使能）

立即数扩展单元 EU(Extending Unit)

  1. 输入接口

    Name Source Description
    instruction[31:0] IF/ID pipeline 取值得到的 32bits 指令
    immType[2:0] Decoder 立即数种类｜

  2. 输出接口

    Name Target Description
    imm[31:0] SBP, ID/EXE pipeline 32bits 的立即数，送给 SBP 和下一级流水线

  3. 模块功能

    该模块是纯组合电路，其根据输入的 immType 字段从 instruction 中摘取对应字段生成 32bits 的扩展立即数

    1. IMM_U: imm_o={instr_i[31:12], 12'h000};
    2. IMM_J: imm_o={{11{instr_i[31]}}, instr_i[31], instr_i[19:12], instr_i[20], instr_i[30:21], 1'b0};
    3. IMM_I: imm_o={{20{instr_i[31]}}, instr_i[31:20]};
    4. IMM_B: imm_o={{19{instr_i[31]}}, instr_i[31], instr_i[7], instr_i[30:25], instr_i[11:8], 1'b0};
    5. IMM_S: imm_o={{20{instr_i[31]}}, instr_i[31:25], instr_i[11:7]};
    6. IMM_NO: no immediate ==> imm_o = 32'h00000000;

4x1 Mux

  1. 输入接口
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
   | Name            | Source    | Description                    |
   | --------------- | --------- | ------------------------------ |
   | rs1[31:0]       | RF        | 从 RF 读出的操作数 1           |
   | RD2[31:0]       | RF        | 从 RF 读出的操作数 2           |
   | exeBypass[31:0] | EXE stage | data forwarding from EXE stage |
   | memBypass[31:0] | MEM stage | data forwarding from MEM stage |
   | wbBypass[31:0]  | WB stage  | data forwarding from WB stage  |
2. 输出接口
   | Name       | Target          | Description           |
   | ---------- | --------------- | --------------------- |
   | rs1D[31:0] | ID/EXE pipeline | 送给 ALU 的 operand 1 |
   | RD2D[31:0] | ID/EXE pipeline | 送给 ALU 的 operand 2 |
3. 模块功能: 根据 forwarding 选择信号，选择合适的 forward 数据，将选择的数据输送到 EXE Stage