DMR:兼容RISC-V架構的亂序超標量通用處理器核

孫彩霞 鄭 重 鄧 全 隋兵才 王永文 倪曉強

(國防科技大學計算機學院 長沙 410073)

(cxsun＠nudt.edu.cn)

DMR是由國防科技大學計算機學院自研的一款兼容RISC-V架構的亂序超標量通用處理器核,主要面向高性能計算領域.

DMR支持用戶態(user-mode)、特權態(supervisor-mode)和機器態(machine-mode)三種特權級模式,兼容RV64G指令集規范[1],并進行了自定義向量擴展,虛存系統支持Sv39和Sv48[2],物理地址為44 b.

1 微架構

DMR的微架構如圖1所示.取指寬度為256 b,即8條32 b指令;譯碼寬度、寄存器重命名寬度和指令分派寬度都是4;寄存器重命名采用統一的物理寄存器文件方式,如果沒有足夠的空閑物理寄存器,重命名過程將會發生阻塞;分派后的指令根據指令類型進入相應的指令調度隊列,同時也會進入重定序緩沖(reorder buffer,ROB);采用分布式調度隊列,根據指令類型設置了整數調度隊列、訪存調度隊列和浮點調度隊列;調度隊列中的指令就緒后,就會被亂序調度執行,每拍最多可以調度9條指令,其中3條整數指令、1條分支指令、2條load指令、1條store指令和2條浮點指令;指令被調度執行時讀取寄存器文件獲取源操作數,源操作數也可能來自旁路的數據;指令提交按序進行;指令Cache和數據Cache均為64 KB,4路組相聯,Cache行大小均為64 B.

Fig.1 DMR microarchitecture圖1 DMR的微體系結構

2 流水線

DMR的流水線如圖2所示.單周期整數流水線共有12級,取指4拍,然后是2拍的譯碼.第1拍進行預譯碼并處理指令拆分和指令融合,第2拍譯碼出指令中的操作數信息,以供寄存器重命名時使用;REN為重命名站,DS為指令分派站,根據指令類型,將指令順序分派到相應的指令調度隊列;ISS為指令發射站,發射后進入RF站,讀取寄存器文件,讀出數據和旁路數據進行選擇后送到執行站EX,執行結果在WB站被寫回到寄存器文件.

Fig.2 DMR pipeline圖2 DMR的流水線

數據Cache命中時的Load-to-use延時是4拍;為了實現較高主頻,浮點流水線在讀寄存器文件之后增加了一拍MUX用于數據選擇.

3 分支預測

DMR采用TAGE(tagged geometric history length)[3-4]算法預測分支方向,所實現的TAGE結構包含5個組件(component),即除了基本預測器組件外,還包含4個具有標記的用不同歷史長度生成索引的預測組件;2K項的BTB(branch target buffer)、48項的RSB(return stack buffer)和512項的IPB(indirect prediction buffer)分別被用于預測不同類型的分支的目標地址.

4 指令拆分和指令融合

DMR在譯碼階段將整數和浮點之間的轉換指令拆分成2個內部操作,轉換操作在浮點單元完成,而讀取整數寄存器文件或寫入整數寄存器文件的操作在訪存部件完成,使得浮點執行單元不需要讀寫整數寄存器文件,從而可以減少整數寄存器文件的讀寫端口數目、簡化整數數據旁路網絡的設計,同時也有利于物理實現.

DMR在指令譯碼階段將某些指令組合融合成一條指令,然后進行重命名、發射和執行,從而提高指令實際發射寬度,并且可以減少指令占用的亂序執行資源數目和降低調度開銷[5].

根據RISC-V架構手冊的描述[1],結合DMR微架構的特點,DMR實現了指令組合的融合,如表1所示.auipc指令和load指令融合,可以實現PC(program counter)相對的32 b偏移尋址的數據加載,auipc指令和jalr指令融合,可以實現PC相對的32 b偏移的分支跳轉.

Table 1 Instruction Fusion in DMR表1 DMR中的指令融合組合

5 處理器狀態的恢復

當發生異?；蚍种д`預測、需要清除前瞻執行的指令時,被清除指令對處理器有關狀態的影響同樣需要被清除,以恢復到前瞻指令未執行之前的狀態.前瞻寄存器重命名映射表就是需要被恢復的處理器狀態之一.

DMR維護了2個寄存器重命名映射表:前瞻映射表和體系結構映射表.指令重命名時更新前瞻映射表,指令提交時更新體系結構映射表.DMR在指令提交時才報告該指令觸發的異常,所以發生異常時,異常指令之前的所有指令都已經完成對體系結構映射表的修改,直接使用體系結構映射表恢復前瞻映射表即可.而分支誤預測一旦發生,需要立即清除后續前瞻執行的指令,這時前瞻映射表一般通過重建的方式進行恢復,重建完成前不能進行寄存器的重命名,從而可能造成流水線停頓.DMR在分支指令進行重命名時,會對當前的前瞻映射表進行備份,分支誤預測發生時使用該分支對應的備份數據對前瞻映射表進行快速恢復,避免重命名映射表重建導致的流水線停頓.

6 自定義向量擴展

DMR面向高性能計算進行了浮點向量的自定義擴展,該擴展中浮點向量和浮點標量共用一套體系結構寄存器,標量占用寄存器的低位部分.如圖3所示,其中D表示雙精度浮點,S表示單精度浮點.

Fig.3 Vector formats圖3 向量格式

除了基本的單、雙精度浮點計算操作和訪存操作外,自定義擴展指令集還支持單、雙精度浮點向量乘加操作以及gather load/scatter store操作.

向量長度支持動態配置為128 b或256 b.DMR的浮點執行單元實現了2條256 b流水線,雙精度浮點峰值運算性能可達到每個時鐘周期16個操作.

7 功能驗證和性能結果

DMR采用覆蓋率驅動的多層次、多平臺功能驗證方法,如圖4所示.

驗證分為3個層次:單元級、核級和系統級.在單元級,針對不同的功能單元搭建了基于UVM(universal verification methodology)的軟模擬平臺和形式化驗證平臺,在核級,搭建了基于trace實時對比的軟模擬平臺,在系統級搭建了硬件仿真平臺.對單元級的軟模擬平臺和形式化驗證平臺收集的覆蓋率以及核級軟模擬平臺收集的覆蓋率進行合并,統一管理.

DMR已經在FPGA原型系統下成功啟動Linux OS,Core Mark分數為5.12 MHz,在14 nm工藝下主頻可達到2 GHz.

Fig.4 Functional verification圖4 功能驗證方法