RISC-V Simulator

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简介

• SJTU rainforest
• 2021-2022学年暑期小学期，PPCA课程项目
• 使用C++模拟五级流水

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五级流水设计示意图

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缩写说明

缩写方式继承于各位助教

五级流水各个阶段

缩写	全称
IF	Instruction Fetch
ID	Instruction Decode
EX	Execute
MEM	Memory Access
WB	Write Back

实现过程中涉及的名词

缩写	全称	说明
PC	Program Counter	待执行的下一条指令地址
IA	Instruction Address	当前指令地址
INS	Insturction	指令
RS	Register Source	读取值的寄存器序号
RV	Register Value	获取的寄存器值
IMM	Immediate	立即数
RD	Register Destination	将写入的寄存器序号
CR	Calculation Result	ALU计算结果
VAL	Value	将写入寄存器的值
TA	Target Address	跳转或分支指令的目标地址
INS TYPE	Instruction Type	指令的类型

*注：粗体内容为通用缩写。

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文件结构

• global.hpp
  • pc、reg、mem以及一些全局变量
  • sext符号位扩展函数
  • get_bit取无符号数的若干位函数
• read.hpp
  • read_order()将16进制数据转为10进制并读入模拟的内存 mem 中
• buffer.hpp
  • 由于C++模拟五级流水时必须给5个 Stage 人为指定一个顺序，为保证任何顺序都是可行的，使用了4个 Buffer 供时钟上升沿读入数据的暂时存储
  • 4个 Buffer 供时钟下降沿数据的存储
• instruction.hpp
  • 37个指令模拟
• stage_ins.hpp
  • 5个Stage需要用到的指令函数
• stage.hpp
  • 五个指令函数do_IF、do_ID、do_EX、do_MEM、do_WB以及他们的封装函数IF、ID、EX、MEM、WB
  • 时钟上升沿时的同步读入函数syn
• cpu.hpp
  • run_order()按周期模拟 CPU 运行
  • 使用了指向函数的指针，每个时钟周期内，5个 Stage 运行的顺序都是随机的
• forwarding.hpp
  • forwarding1(ins)为从 MEM/WB Buffer 向该条指令 ins 的 forwarding
    • forwarding1_1(ins)为只有 RV1 可能发生 forwarding 的情况
    • forwarding1_2(ins)为 RV1 、RV2 都可能发生 forwarding 的情况
  • forwarding2(ins)为从 EX/MEM Buffer 向该条指令 ins 的 forwarding
    • forwarding2_1(ins)为只有 RV1 可能发生 forwarding 的情况
    • forwarding2_2(ins)为 RV1 、RV2 都可能发生 forwarding 的情况
• predictor.hpp
  • succ预测成功次数、tot预测总次数、bht Branch History Table、pht Pattern History Table、btb Branch Target Buffer
  • init_predictor初始化 BHT 、PHT 以及 BTB
  • predictPC根据 branch 指令的 PC 提供预测，并跳转 PC
  • update用预测结果更新 BHT、PHT、BTB以及预测成功率
• main.cpp
  • main函数

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forwarding

共实现了三种forwarding

• EX/MEM Buffer-->EX
• MEM/WB Buffer-->EX
• MEM/WB Buffer-->ID

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分支预测

• 二级分支预测
  • 在IF阶段进行分支预测，以PC作为预测依据
  • 通过大小为256的BHT获取分支历史记录
  • 通过大小为256×16的PHT预测是否跳转
  • 通过大小为256的BTB获取预测的跳转地址
• 成功率

测试点	成功率	预测成功次数	总预测次数
array_test1	54.55%	12	22
array_test2	50.00%	13	26
basicopt1	99.19%	153889	155139
bulgarian	94.59%	67625	71493
expr	72.07%	80	111
gcd	62.50%	75	120
hanoi	98.28%	17157	17457
lvalue2	66.67%	4	6
magic	82.72%	56141	67869
manyarguments	80.00%	8	10
multiarray	53.09%	86	162
naive	/	0	0
pi	85.35%	34100754	39956380
qsort	94.54%	189130	200045
queens	80.97%	62439	77116
statement_test	63.37%	128	202
superloop	95.89%	417136	435027
tak	78.54%	47623	60639