Tomasulo(With ROB and prediction)

Sun Yat-Sen University 2024秋季学期 并行计算机体系结构大作业

项目特点

• 封装良好，易于修改
• 可视化程度好，易于展示
• 注释丰富，易于理解

基本假设

• 我们不对register和内存中的初始值做任何假设，所以所有对他们的取值都将获得一个string来指示其“表面值”，比如Reg[F1]，或者Mem[x1+32]
• 为了简化项目，我们不另外创建功能单元类（即memory unit、adder、multiplier等），而是直接将他们整合到RS或LoadBuffer部件中
• 写CDB实际上就是将result值传送给CommonDataBus这个部件，然后再由这个CDB将值传送出去，比如Add2完成了计算得到一个result，那么写CDB就是将所有依赖Add2的部件，全部改写为这个result。
• 功能单元采用“类FIFO”式的服务，即在所有已经ready的instruction中，保证先到的一定先服务
• 有一个关键的设计：比如某条指令，在第3周期完成，在第4周期写回，那么第4周期的时候，依赖这个result的所有指令才能拿到这个数，然后就可以进行对应的操作了。所以在这个模拟系统中，我们会在第3周期的时候，将数据送进CDB，然后CDB在第4周期的最初，将所有数据传送给其它组件，从而实现符合实际情况的设计。
• 我们假设branch指令的执行在操作数ready的情况下，就可以马上得到结果。
• 我们假设load指令需要2周期执行、add/sub需要2周期、mult需要6周期、div需要12周期；同时，我们设定adder和multiplier都只有一个，而自动计算好地址（即integer部件是无限的）（这些可以在BasicDefine.h中调整）。
• 以一个fld f6,32(x2)指令为例，它在第1周期完成issue，在第2周期开始执行，在第4周期执行完成，在第5周期写回，并在第6周期提交。
• ROB可以在一个周期内COMMIT无限多条指令（只要它们都已经是WRITE状态，而且是最旧的未COMMIT的指令）
• 本项目推测所有branch指令都进行跳转

基本架构

• 本项目中包含register（整型和浮点型）、LoadBuffer、StoreBuffer、ReservationStation（包括adder和multiplier）、InstructionDecoder、CommonDataBus、ReorderBuffer以及一个Tomasulo类（用来将上述所有部件整合在一起）。
• 其中InstructionDecoder负责将指令读取并解析，将指令发送到对应的保留站（包括load/store buffer），在遇到Branch指令的时候，它会默认跳转。
• 其中load/store buffer和保留站，就是用来缓存指令的地方，它们在计算单元有空闲的时候，自动将指令发送到计算单元上进行计算（本项目没有抽象出这样一个类，而是直接通过模拟remainingTime来实现）。而在计算完毕之后，也由它们来将result发送到CDB上。
• register和CDB会根据指令来设置自己的字面值，比如一条fld f6,32(x2)指令，此时就会让f6寄存器变成Load1，从而后续引用f6寄存器的值时，就会自动引用Load1。
• ReorderBuffer会被动地接受instruction的issue（来自InstructionDecoder）、execute（来自load/store buffer和保留站通过CDB来发射signal）、WRITE（来自load/store buffer和保留站传送result时，顺便设置为WRITE状态），并会在每个周期主动地将所有最旧的未COMMIT的指令都进行COMMIT。
• 事实上引入ROB并不会很明显地介入原本的tomasulo实现架构（只讨论本项目的实现），这样的设计给了更多的修改空间！ROB起作用的点也仅仅是在面临Branch指令的时候才起作用，当发生了not jump情况的时候，才需要清空所有的ROBLine和各种保留站、LD/SD buffer，并将所有的registers设置为稳定的值。

需要注意的点

• 因为本项目都是用字面值，所以值太长的话（比如Mem[44 + Regs[x3]] - Mem[32 + Regs[x2]]这种），有可能会导致output的时候出错（因为使用了格式化输出来控制），如果出现string too long的报错，那就说明是某些输出太长了。
• 目前还只是通过预设值来结束循环，比如bne x1,x3,Loop，那么在一开始就需要预设x3为Regs[x1] + 8 + 8 + 8，这样才能保证循环能够正常结束。该项目目前还没有通过输入来进行值预设，所以在Registers中有一段#if ISSUENUM == 2，在该情况下，会通过代码预设

有待优化的点

• 增加一个预设环节，能够通过输入来预设某些寄存器以及某些内存位置的初始值。
• 本项目可能也有一些纰漏，如果发现问题，欢迎发Issue，感谢！