蜂鸟E203 IFU模块

皋陶

E203的IFU(instruction fetch unit)模块主要功能和接口如下：

• IFU的PC生成单元产生下一条指令的PC。
• 该PC传输到地址判断和ICB生成单元，就是根据PC值产生相应读指请求，可能的指令目的是ITCM或者外部存储，外部存储通过BIU访问。
• 该PC值也会传输到和EXU单元接口的PC寄存器中。
• 取回的指令会放置到和EXU接口的IR(Instruction register)寄存器中。EXU单元会根据指令和其对应的PC值进行后续的操作。
• 因为每个周期都要产生下一条指令的PC，所以取回的指令也会传入Mini-Decode单元，进行简单的译码操作，判别当前指令是普通指令还是分支跳转指令。如果判别为分支跳转指令，则在同一周期进行分支预测。最后，根据译码的信息和分支预测的信息生成下一条指令的PC。
• 来自commit模块的冲刷管线请求会复位PC值。
  
  

因为蜂鸟IFU要在同一个时钟周期完成取指，译码，分支预测，生成PC等多个操作，所以时序上的关键路径会制约它的最高主频。

IFU模块的接口包括如下信号：

inspect_pc, output,  位宽：32

当前IFU所取指令的pc值，如果当前ifu_reset_req信号置高，则为pc复位值，即pc_rtvec值=0x1000，因为指令被放在itcm中，itcm起始地址为0x8000_0000，所以通常pc值为itcm的某个地址值。

当rom启动系统时候，复位pc是0x1000=4096，通过指令0x7ffff297，auipc x5,0x7ffff, 当前x5=当前pc值+7ffff000=0x1000+0x7ffff000=0x8000_0000,指向了itmc的首地址。

然后通过指令jalr=0x28067, 指令跳转到x5指定的地址。

rom的初始化在文件sirv_mrom.v 中

1. genvar i;
   
2.   generate
   
3.    if(1) begin: jump_to_ram_gen
   
4.        // Just jump to the ITCM base address
   
5.       for (i=0;i<1024;i=i+1) begin: rom_gen
   
6.           if(i==0) begin: rom0_gen
   
7.               assign mask_rom[i] = 32'h7ffff297; //auipc   t0, 0x7ffff
   
8.           end
   
9.           else if(i==1) begin: rom1_gen
   
10.               assign mask_rom[i] = 32'h00028067; //jr      t0
    
11.           end
    
12.           else begin: rom_non01_gen
    
13.               assign mask_rom[i] = 32'h00000000;
    
14.           end
    
15.       end
    
16.    end
    
17.    else begin: jump_to_non_ram_gen

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ifu_active, output, 位宽1

这个输出信号总是1，意味着ifu模块会一直处于活动状态。

pc_rtvec, input, 位宽32

pc复位值，如果用simulation，其值为0x1000, 如果用fpga，外部qspi flash地址为0x2000_0000。这个信号从常开域传入。

sirv_aon_wrapper.v

1. //  This signal will be passed to the main domain, since this is kind of pad selected signal
   
2.   //    we dont need to sync them in main domain, just directly use it
   
3.   assign pc_rtvec = aon_io_bootrom ? 32'h0000_1000 :
   
4.       // This is the external QSPI flash base address
   
5.                                      32'h2000_0000;

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ifu2itcm_holdup, input, 位宽1

上次访问itcm的模块是ifu，则设置该信号为高。

itcm_region_indic, input, 位宽32

itcm 起始地址指示信号，它的值为 0x8000_0000

该值在cpu_top.v中实例化e203_core时候，传入宏E203_ITCM_BASE_ADDR的值。

ifu2itcm_icb_cmd_valid, output, 位宽1

ifu2itcm_icb_cmd_ready，input，位宽1

ifu和itcm命令通道通讯的握手信号，采用icb协议，icb协议会在单独的文章中详细介绍。

ifu2itcm_icb_cmd_addr，output，位宽16

ifu请求读/写itcm数据的起始地址，因为itcm是64K大小，所以itcm地址位宽为16位。

ifu2itcm_icb_rsp_valid, input, 位宽1

ifu2itcm_icb_rsp_ready，output，位宽1

ifu和itcm响应通道通讯的握手信号，采用icb协议，icb协议会在单独的文章中详细介绍

ifu2itcm_icb_rsp_err, input, 位宽1

读或写itcm反馈的错误标志，如果该信号为低，则ifu接受itcm的返回结果。

ifu2itcm_icb_rsp_rdata, input, 位宽64

从itcm返回的32位数据。

ifu2biu_icb_cmd_valid, output, 位宽1

ifu2biu_icb_cmd_ready，input，位宽1

ifu和biu命令通道通讯的握手信号，采用icb协议，icb协议会在单独的文章中详细介绍。这个接口用于从system memory中读取数据

ifu2biu_icb_cmd_addr，output，位宽32

ifu请求读/写biu数据的起始地址，32位地址。

ifu2biu_icb_rsp_valid, input, 位宽1

ifu2biu_icb_rsp_ready，output，位宽1

ifu和biu响应通道通讯的握手信号，采用icb协议，icb协议会在单独的文章中详细介绍

ifu2biu_icb_rsp_err, input, 位宽1

读或写biu反馈的错误标志，如果该信号为低，则ifu接受biu的返回结果。

ifu2biu_icb_rsp_rdata, input, 位宽32

从biu返回的32位数据。

ifu_o_ir，output， 位宽32

指令寄存器中的值，是当前从itcm或biu中读取的32位指令数据，传输到exu的decoder中进行解码操作。

当指令来自于biu(system memory）时候，取得数据是32位，ifu_o_ir是ifu2biu_icb_rsp_rdata寄存一个周期。

当指令来自于itcm时候，因为itcm是64位，所以ifu2itcm_icb_rsp_rdata,返回的数据是64位，因为itcm是sram，上次访问的数据会一直holdup住。但ifu每次只取其中32位数据。因为会连续两次或多次在一个lane（64位对齐的数据成为一个lane)里面访问。如果上次访问的itcm的sram，下一次取指在同一个lane里面，则不会真的读取sram，会利用sram holdup的特性，直接使用其保持不变的输出。如果顺序取一个32位的指令其非对齐的地址跨越了64位边界，那么会将sram当前输出的最高16位放在leftover buffer之中。并发起新的itcm sram访问操作，然后将新访问itcm sram返回的低16位与leftover buffer中的值拼接成一个完整的32位指令。因此等效于一个周期读取一条指令，不会造成性能损失。如果是非顺序取指，比如分支或跳转指令，且地址为非对齐地址跨越了64位边界，那么就需要发起两次itcm读操作。第一个读回的数据的高16位放入leftover buffer中，第二次读回的数据的低16位和leftover buffer中的16位数据组合想成一个32位的指令。因此需要两个周期才能取回指令。

ifu_o_pc，output，位宽32

当前的指令pc值，注意：ifu_o_pc和inspect_pc的区别，ifu_o_pc相当于被寄存一个周期的inspect_pc值。

ifu_o_pc_valid, output, 位宽1

pc信号是有效的

ifu_o_misalgn，output，位宽1

该信号总是0，在e203中，不会发生不对齐的情况。

ifu_o_buserr，output，位宽1

该信号=ifu_rsp_err

ifu_o_rs1idx,output,位宽5

当前指令 源寄存器rs1的索引，来自于mini decoder模块的输出

ifu_o_rs2idx，output,位宽5
当前指令 源寄存器rs2的索引，来自于mini decoder模块的输出

ifu_o_prdt_taken，output，位宽1
当前指令预测是否需要跳转，来自于ifu中的bpu模块。

ifu_o_mul2div_b2b，output，位宽1

1. // For multiplicaiton, only the MUL instruction following
   
2. //    MULH/MULHU/MULSU can be treated as back2back
   
3. ( minidec_mul & dec2ifu_mulhsu)
   
4. // For divider and reminder instructions, only the following cases
   
5. //    can be treated as back2back
   
6. //      * DIV--REM
   
7. //      * REM--DIV
   
8. //      * DIVU--REMU
   
9. //      * REMU--DIVU

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pipe_flush_ack，output，位宽1

总是1，

pipe_flush_req，input，位宽1

pipe flsuh请求，来自于exu模块，冲刷现在管线，根据新的pc值从新取指。

pipe_flush_add_op1，input,32

pipe flsuh操作的op1,和op2一起决定新的pc

pipe_flush_add_op2,input, 32

pipe flsuh操作的op2,和op1一起决定新的pc

ifu_halt_req，input，位宽1

ifu_halt_ack，output，位宽1

ifu halt请求响应信号,请求置高后，ifu停止取新的指令，ack响应置高后，恢复取指令。

1. // The halt request come from other commit stage
   
2. //   If the ifu_halt_req is asserting, then IFU will stop fetching new
   
3. //     instructions and after the oustanding transactions are completed,
   
4. //     asserting the ifu_halt_ack as the response.
   
5. //   The IFU will resume fetching only after the ifu_halt_req is deasserted

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oitf_empty，input，位宽1

oitf为空,不用进行数据冲突判断，肯定不存在RAW和WAW数据冲突

rf2ifu_x1，input，位宽32

当前x1寄存器的值

rf2ifu_rs1，input，位宽32

当前指令中rs1寄存器的值

dec2ifu_rden，input，位宽1

当前指令包括目的寄存器寄存器rd

dec2ifu_rs1en，input，位宽1

当前指令包括源寄存器rs1

dec2ifu_rdidx，input，位宽5

当前指令目的寄存器rd索引

dec2ifu_mulhsu，input，位宽1

当前指令为mulh,mulhsu, mulhu

dec2ifu_div，input，位宽1

当前指令为div

dec2ifu_rem，input，位宽1

当前指令为rem

dec2ifu_divu，input，位宽1

当前指令为divu

dec2ifu_remu，input，位宽1

当前指令为remu

clk，input，位宽1
时钟信号

rst_n，input，位宽1

复位信号

完