RISC-V Simulator

简介

• 上海交通大学，2020级ACM班，PaperL
• 2020-2021学年暑期小学期，PPCA课程项目
• 使用 C++ 模拟 CPU 五级流水

五级流水设计示意图

缩写说明

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
OPCODE	Operation Code
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
TA	Target Address	跳转或分支指令的目标地址

*注：粗体内容为通用缩写。斜体内容为个人起名，不保证在其他资料中含义相同。

文件结构

• main.cpp

  • main 函数

• global.h

  • namespace HEX
    • 符号扩展
  • namespace INSTRUCTION
    • 指令类型枚举
    • decode 函数
  • namespace STORAGE
    • 存储器结构体
  • debug 调试信息输出函数

• cpu.hpp

  • cpu 类
    • 成员变量：寄存器对象、内存对象、各个阶段对象、分支预测器对象、全局变量
    • 成员函数：
      • init() 以输入流数据初始化内存信息
      • work() 按周期模拟 CPU 运行

• predictor.hpp

  • predictor 类
    • 成员变量：bht、btb、总预测次数、预测成功次数
    • 成员函数
      • predictPC 函数：根据branch 指令 pc 提供预测跳转 pc
      • update 函数：以预测结果更新 bht、btb、预测次数

• stage.h / stage.cpp

  • 基类 stage
    • 成员变量：preBuffer、sucBuffer
    • 成员函数：构造函数、run()
  • 派生类 stageIF、stageID、stageEX、stageMEM、stageWB
    • 派生变量：所需的引用。例如寄存器对象、内存对象、回传数据所在缓冲区对象

分支预测

• 一级分支预测
  • 在 IF (Instruction Fetch) 阶段进行分支预测，以 PC (Program Counter) 作为预测依据
  • 通过大小为 4096 的 BHT (Branch History Table) 预测是否跳转
  • 通过大小为 256 的 BTB (Branch Target Buffer) 获取预测跳转地址
• 二级分支预测
  • 在 IF (Instruction Fetch) 阶段进行分支预测，以 PC (Program Counter) 作为预测依据
  • 通过大小为 256 的 BHT (Branch History Table) 获取分支历史记录
  • 通过大小为 256×64 的 PHT (Pattern History Table) 获取是否跳转
  • 通过大小为 256 的 BTB (Branch Target Buffer) 获取预测跳转地址
• 成功率（二级分支预测）

statistics powered by walotta

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	99.20%	153893	155139
bulgarian	94.49%	67555	71493
expr	68.47%	76	111
gcd	60.83%	73	120
hanoi	98.38%	17175	17457
lvalue2	66.67%	4	6
magic	85.24%	57850	67869
manyarguments	80.00%	8	10
multiarray	55.56%	90	162
naive	/	0	0
pi	84.45%	33742332	39956380
qsort	96.14%	192319	200045
queens	81.09%	62531	77116
statement_test	61.88%	125	202
superloop	98.97%	430549	435027
tak	80.53%	48832	60639