RISC-V-simulator

简介

• 2021-2022 6.20-7.3
• 上海交通大学PPCA Principle and Practice of Computer Algorithm课程项目
• 使用 C++ 模拟基于RISC-V指令集的CPU五级流水

五级流水设计示意图

缩写说明

• 阶段名称缩写说明

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

• 变量缩写说明

缩写	全称	说明
OPCODE	Operation Code
RD	Register Destination	将写入的寄存器序号
IMM	Immediate	立即数,imm or shamt
PC	Program Counter	待执行的下一条指令地址
iniPC	Initail PC	指令初始取址位置
predPC	Predicted PC	该指令（预测）的下一个取址位置
code	Insturction	32位指令
opflag	Operation Flag	枚举类型用于区分37种指令
RS	Register Source	读取值的寄存器序号,rs1,rs2
regd,reg1,reg2	Register Value	获取的寄存器值,分别对应reg[rd],reg[rs1],reg[rs2]

五级流水测试情况

• 五阶段顺序自测样例已通过
• 五阶段顺序OJ测试已通过
• 五阶段乱序自测已完成
• 五阶段乱序OJ测试已完成

文件结构

main.cpp

main函数:

• init()

global.hpp

• global variables
  • PC mem[500000] reg[32] clk virtual_clk eesc
• enum:
  • OPflag object_num
• buffer definitions
  • IF_EX / ID_EX / EX_MEM / MEM_WBbuffer
• debug print function
  • printOP() printREG() printSTORE() printID_EX_buffer()

cpu.hpp

• class cpu:
  • cpu() ~cpu()
  • init()
  • pipeRUN()

stages.hpp

• namespace STAGE

  • five stages

    • IF() ID() EX() MEM() WB()

  • forwarding

    • preforwarding
      • Epreforwarding() Mpreforwarding() Wpreforwarding()
      • forwarding()

  • update

    • result buffer update
      • RES_XX_buffer_up()
    • put the result buffer to the real buffer
      • updateALL()

predictor.hpp

• class predictor
  • variables
    • for predicting : BHT PHT BTB
    • for the predictint result : suc cnt
  • functions
    • predictor() ~predictor()
    • predict() for predicting
    • update() for updating

二级自适应预测器介绍以及预测结果展示

• 介绍

  • 说明 取 PC后9位为索引下标
  • 数据成员
    • BHT[512] branch history table.记录PC对应的历史状态，对同一PC值，至多记录64种状态，即6位
    • PHT[512][64] Patern history table.每一个PC对应的历史状态所对应的跳转情况，是二位饱和计数器，分为00 01 10 11四种状态，分别对应 Strongly not taken Weekly not taken Weekly taken Strongly taken,PHT >= 2表示需要跳转
    • BTB[512] Branch target buffer.预测跳转地址
  • 基本过程
    • 在 IF 阶段进行分支预测,通过PC获取当前历史状态BHT,进而获取当前预测跳转状态PHT,如果( 指令为 Branch 型 && 对应PHT >= 2 ) 则跳转，跳转地址为 PC + BTB
    • 在EX 阶段对跳转结果以及预测正确性进行回传，通过 isBranchTaken，jump Address以及PC 对BHT(历史状态) PHT(预测跳转状态) BTB(预测跳转地址)进行更新

• 结果展示

数据点	成功率	预测成功次数	预测总次数	运行周期数
array_test1	50.00%	11	22	528
array_test2	46.15%	12	26	67
basicopt1	99.22%	153926	155139	1637578
bulgarian	94.64%	67659	71493	984169
expr	81.98%	91	111	1589
gcd	63.33%	76	120	1460
hanoi	99.05%	17291	17457	474555
lvalue2	66.67%	4	6	139
magic	85.14%	57785	67869	1505385
manyarguments	80.00%	8	10	169
multiarray	54.94%	89	162	4392
naive	/	0	0	67
pi	84.45%	33742485	39956380	321896382
qsort	96.76%	193572	200045	3741457
queens	81.06%	62508	77116	1496007
statement_test	62.87%	127	202	2993
superloop	99.25%	431781	435027	1562314
tak	80.53%	48832	60639	4480268