RISC-V BOOM处理器中的发射单元设计解析
项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/ri/riscv-boom 发射单元概述
在RISC-V BOOM超标量处理器中，发射单元(Issue Unit)是执行流水线的关键组成部分，负责管理已解码但尚未执行的微操作(UOPs)。发射单元的核心是发射队列(Issue Queue)，它作为一个缓冲区，保存着等待执行的指令，直到它们的操作数全部就绪。
发射队列工作机制
发射队列采用了一种智能的管理机制：
- 操作数就绪检测：每个UOP在发射队列中等待时，系统会持续检查其操作数是否就绪（通过"presence bit"标记）
- 发射请求：当所有操作数就绪后，该UOP会置高"request"信号
- 发射选择：发射选择逻辑根据优先级选择可以发射的UOP
- 释放空间：一旦UOP被发射，它就会从发射队列中移除，为新的指令腾出空间
BOOM采用了分离式发射队列设计，不同类型的指令会被分配到特定的发射队列中（如整数、浮点、内存操作等），这种设计提高了指令分发的效率。
发射队列的高级特性
1. 推测性发射
虽然当前版本尚未实现，但BOOM设计考虑了未来可能加入的推测性发射功能。这种机制允许处理器在特定条件下（如预测加载指令会命中缓存）提前发射依赖该指令的UOP。如果推测失败，所有在推测窗口内发射的UOP都需要被取消并重新尝试。
推测性发射虽然能提高性能，但也带来了复杂性：
- 需要保持推测性UOP在队列中直到推测结果确认
- 需要实现精确的恢复机制
- 可能需要更复杂的依赖跟踪系统
2. 发射槽结构
每个发射队列由多个发射槽(Issue Slot)组成，每个槽可以保存一个UOP。发射槽的关键组件包括：
- 操作数就绪标志位(p位)
- 发射请求信号
- 指令状态跟踪逻辑
当指令被分配到发射槽后，它会等待操作数就绪，然后请求发射。这种设计允许处理器同时管理多条指令的执行状态。
发射选择逻辑
发射选择逻辑是发射单元的大脑，它决定哪个就绪的UOP可以进入下一阶段。BOOM采用了以下设计原则：
- 静态优先级编码器：每个发射端口使用静态优先级选择第一个可用的UOP
- 端口专业化：不同类型的UOP只能被分配到对应的功能单元端口（如浮点UOP只能分配到浮点单元）
- 级联优先级：对于可以处理相同类型UOP的端口，采用级联优先级机制
当功能单元不可用时（如非流水线除法器），它会取消可用信号，阻止指令发射到该单元。
发射队列调度策略
BOOM实现了两种不同的调度策略，各有优缺点：
1. 无序发射队列(MIPS R10K风格)
特点：
- 新指令被分配到第一个可用槽
- 指令保持在原槽直到被发射
- 实现简单
缺点：
- 可能导致性能问题，特别是当不可预测分支被分配到低优先级槽时
- 分支后的指令只能隐式依赖分支，没有强制机制让分支提前发射
2. 年龄排序发射队列
特点：
- 新指令被插入队列底部（最低优先级）
- 每个周期指令向上移动（"折叠队列"）
- 最老的指令获得最高发射优先级
优点：
- 提高性能，优先调度老的分支和加载指令
- 更符合程序执行顺序
缺点：
- 潜在的能量消耗问题，因为每个周期可能都需要读写所有发射槽
- 实现复杂度较高
唤醒机制
BOOM实现了两种唤醒机制来通知操作数可用：
-
快速唤醒：
- 用于ALU操作
- 通过旁路网络广播唤醒信号
- 在UOP发射时立即通知
-
慢速唤醒（长延迟唤醒）：
- 用于浮点操作、加载和可变延迟操作
- 不通过旁路网络
- 唤醒信号来自写回阶段的寄存器文件端口
这种混合唤醒机制平衡了性能和实现复杂度，确保不同类型指令都能高效执行。
实现细节
在实际硬件实现中，虽然概念上使用总线来驱动发送到寄存器读取阶段的信号，但BOOM实际上采用了多路复用器(muxes)来实现这一功能。这种选择基于面积和时序的优化考虑。
BOOM的发射单元设计体现了现代高性能处理器的典型特征，通过精心设计的调度策略、唤醒机制和队列管理，实现了高效的指令发射能力，为处理器的整体性能提供了坚实基础。
创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
