rocketchip学习笔记5： 流水线stall流程

[meton-robean]

概述：

• rocket流水线分为5个阶段：IF, ID,EX, MEM, WB.五级顺序流水

• 控制流水线stall的有几个控制信号，take_pc_mem, take_pc_wb, killd, killx, killm等

• rocket处理stall的方式比较简单，主要通过replay方式重执行这种比较粗暴的方法

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几种情况rocket会stall：

• mem阶段如果有访存指令load,store发起取数请求，但是data miss，此时需要多个周期才会来数，此时流水线停止，rocket进行replay，直到再次在mem阶段取到数据，流水线再恢复。

• mem阶段如果是分支跳转指令，会在此阶段判断是否后面预测的指令正确（在mem阶段计算出真正要跳转的pc,和EX阶段的指令pc进行对比），如果预测错误，那么take_pc_mem在这个周期置1，killd=1（这会阻断ID,和ex之间的指令传递), 此时killx=1，这个信号会把ex阶段的reg置位unvalid； 下一个周期，这条跳转指令到了WB阶段，会更新frontend下一周期要取的正确指令。并且此时killm变为1（因为上一周期ex的指令传递了过来(killex=1)，使得mem阶段killm=1），这个信号 会把mem阶段的reg置位unvalid； 再下一个周期，ID从ibuf中取到正确的指令后，killd=0, 流水线开始恢复。 但是此时killx, killm还是为1，并且wb阶段的指令还是卡在那里。 后续的周期，killx,killm一级级恢复0，直到wb阶段的指令也被覆盖为正确的指令，流水线完全恢复，程序接着执行。

• wb阶段要写回的寄存器和EX阶段要读取的寄存器相同，数据依赖，有冒险。此时take_pc_wb=1,killd=1,killx=1，之后演变类似第二种情况，wb阶段的那条指令又会replay到ID阶段重新执行一遍。。

• wb阶段是条rocc指令，按道理在下一周期这条指令会被送到ROCC加速器那边，可是由于加速器握手信号ready=0，导致rocc指令阻塞在wb阶段，此时这条take_pc_wb=1，之后处理类似第三种情况，进行replay,直到加速器那边握手信号可以了，才能送过去。

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以一个例子来说明：

前提，我将如下100f8 --1010c的指令伪装成rocc指令：

即将控制信号设置为:
id_ctrl.rocc := true.B id_ctrl.wxd := false.B id_ctrl.branch := false.B id_ctrl.jal := false.B id_ctrl.jalr := false.B

观察流水线各个周期现象如下：

解释：
mem阶段如果是分支跳转指令（其实所有指令都会判断），会在此阶段判断是否后面预测的指令正确（在mem阶段计算出真正要跳转的pc（分支指令跳转pc计算方式是当前指令pc+立即数偏移；普通指令的话是+2或者+4 ）,和EX阶段的指令pc进行对比），如果预测错误，那么take_pc_mem在这个周期置1，killd=1（这会阻断ID,和ex之间的指令传递), 此时killx=1，这个信号会把ex阶段的reg置位unvalid； 下一个周期，这条跳转指令到了WB阶段，会更新frontend下一周期要取的正确指令。并且此时killm变为1（因为上一周期ex的指令传递了过来(killex=1)，使得mem阶段killm=1），这个信号 会把mem阶段的reg置位unvalid； 再下一个周期，ID从ibuf中取到正确的指令后，killd=0, 流水线开始恢复。 但是此时killx, killm还是为1，并且wb阶段的指令还是卡在那里。 后续的周期，killx,killm一级级恢复0，直到wb阶段的指令也被覆盖为正确的指令，流水线完全恢复，程序接着执行。