XiangShan Decode 设计文档

• 版本：V2R2
• 状态：OK
• 日期：2025/02/28
• commit：xxx

术语说明

术语说明

缩写	全称	描述
-	Decode Unit	译码单元
uop	Micro Operation	微操作
-	numOfUop	一条指令拆分出的uop数量
-	numOfWB	一条指令拆分出的uop中需要写回的指令的数量
-	vtypeArch	最新提交的向量指令vtype配置
-	vtypeSpec	当前向量指令vtype配置
-	walkVType	发生重定向时，回滚并恢复的vtype

子模块列表

子模块列表

子模块	描述
DecodeUnit	译码单元
DecodeUnitComp	向量指令拆分处理模块
FPDecoder	浮点指令译码模块
UopInfoGen	指令拆分类型、数量生成单元
VecDecoder	向量指令译码模块
VecExceptionGen	向量异常检查模块
VTypeGen	向量指令vtype配置生成模块

设计规格

• 新增向量配置生成模块，向量译码模块，向量指令拆分模块，向量异常检查模块。所有向量指令均进行指令拆分并进入decoderComp
• 支持同一拍内对6条标量指令同时进行译码
• 支持同一拍内对最多1条向量指令进行译码
• 部分指令进行转译处理
• zimop指令，转译为src为x0，imm为0的addi指令
• 读vlenb指令，转译为src为x0，imm为VLEN/8的addi指令
• 读vl指令，转译为读vl寄存器写标量寄存器的vset指令
• 读只读权限的csr时，不再置waitForward和blockBackward信号，支持乱序执行
• 其余功能同南湖

功能

对指令进行译码，将指令32bits编码转换为指令的控制信号。指令如果是向量指令或AMO_CAS指令，需进行指令拆分。指令拆分的过程是将指令拆分为1个或多个uop，并根据拆分类型对源寄存器号、源寄存器类型、目标寄存器号、目标寄存器类型、使用的功能单元、操作类型进行新的赋值。译码完成后会将带有控制信息的指令传入rename模块，rename模块根据源寄存器号和源寄存器类型进行重命名分配物理寄存器。会在译码阶段对异常指令、异常虚拟化指令进行检查，并将对应的exceptionVec中的信号拉高

整体设计

译码通过例化6个DecodeUnit模块对输入的指令进行译码，DecodeUnit会输出指令是否为向量指令的信号，如果是向量指令，则需要将其传入复杂译码器decoderComp进行指令拆分。 由于向量指令需要经过DecodeUnit和UopInfoGen进行译码后再进入复杂译码器导致关键路径较长，指令进入复杂译码器后会先暂存一拍，在下一拍进行向量异常检查和指令拆分，会转换为等于等于1条uop，如果uop超过6条，则需要多拍才能完成译码。如果剩余的uop可以在 当拍完成译码，会在当拍将需要译码的向量指令传入decoderComp。 假设rename ready，根据传入的指令的顺序可分为以下几种情况：

1. 标量指令：直接进行译码
2. 向量指令：decoderComp ready时将向量指令传入decoderComp进行指令拆分，只能处理一条向量指令
3. 向量指令+标量指令：decoderComp ready时将向量指令传入decoderComp进行指令拆分，只能处理一条向量指令，无法同时处理标量指令
4. 标量指令+向量指令：向量指令前的标量指令直接进行译码。decoderComp ready时将向量指令传入decoderComp进行指令拆分，只能处理一条向量指令
5. 指令拆分后的uop+标量指令：假设当拍有n个拆分后的uop需要rename，同时有m个标量指令需要rename，n+m<=6，直接进行译码，否则只译码6-n个标量指令
6. 指令拆分后的uop+向量指令：处理向量指令拆分后的uop同向量的情况
7. 指令拆分后的uop+向量指令+标量指令：同标量指令+向量指令的情况
8. 指令拆分后的uop+标量指令+向量指令：标量指令的处理同指令拆分后的uop+标量指令的情况，向量指令的处理同向量指令情况

整体框图

decode

接口列表

见接口文档

二级模块 VTypeGen

VTypeGen模块主要用于维护当前译码的向量指令需使用的vtype配置，每当执行vset指令或发生重定向需要回滚时，更新VTYpeGen中存储的vtype信息。

输入

• 来自前端的指令流中的32bits指令信息;
• 来自rob中vtype buffer的vtype回滚信息;
• 来自rob中vtype buffer的vtype提交信息；
• 来自backend的vsetvl指令的vtype信息，由于vsetvl指令的vtype信息需要通过读寄存器而不是译码获得，因此在vsetvl指令写回时，会将vtype信息传递给vtypeGen。

输出

输出到Decode Unit的vtype信息（当前处于译码阶段向量指令使用的vtype配置）

设计规格

vtypeSpec更新存在4种情况：

1. vsetvl指令提交时，vtypeSpec更新为vsetvl指令的vtype，其中vsetvl指令的vtype值在其写回时获得。由于vsetvl指令会flush流水线，因此不会和其余情况冲突

2. 重定回滚的过程中，vtypeSpec更新为vtype buffer传入的walkVType

3. 重定向开始时，vtypeSpec更新为Arch vtype

4. 译码的指令存在vsetivli或vsetvli指令且没有发生异常时, vsetivli指令和vsetvli指令的vtype信息可通过立即数字段获得，VTypeGen中存在一个简单的译码器，用于判断输入的指令中是否包含这两种指令。如果存在这两种vset指令，会通过一个PriorityMux选择出第一个vset指令，通过VsetModule模块解析出vtype信息。

  when(io.commitVType.hasVsetvl) {
    vtypeSpecNext := io.vsetvlVType
  }.elsewhen(io.walkVType.valid) {
    vtypeSpecNext := io.walkVType.bits
  }.elsewhen(io.walkToArchVType) { 
    vtypeSpecNext := vtypeArch
  }.elsewhen(inHasVset && io.canUpdateVType) {
    vtypeSpecNext := vtypeNew
  }

vtypeArch更新存在2种情况： 1. vsetvl指令提交时，vtypeArch更新为vsetvl指令写回的vtype 2. vsetivli指令或vsetvli指令提交时，vtypeArch更新为从vtype buffer传入的vtype提交信息

二级模块 DecodeUnit

输入输出

• 输入
  • DecodeUnitEnqIO：前端传入的指令流信息，向量指令使用的vtype、vstart信息
  • CustomCSRCtrlIO：csr控制信号
  • CSRToDecode：csr控制信号
• 输出
  • DecodeUnitDeqIO：译码后的指令信息、是否是向量指令、指令拆分数量

功能

该模块是香山后端的译码单元，该模块将control flow转换为信息更丰富的微操作，包含源寄存器号、源寄存器类型、目标寄存器号、目标寄存器类型、立即数类型、使用的功能单元类型、操作类型等信息。

设计规格

1. 译码信息

2. XSDecode
   DecodeConstants中定义了decodeArray，将指令的32位编码转化为XSDecode，包含以下信息：

   • srcType0: 源寄存器0的类型
   • srcType1: 源寄存器1的类型
   • srcType2: 源寄存器2的类型，用于fma指令
   • fuType: 功能单元类型
   • fuOpType: 操作类型
   • rfWen: 是否写回标量寄存器
   • fpWen: 是否写回浮点寄存器
   • vfWen: 是否写回向量寄存器
   • isXSTrap：是否是XSTrap指令
   • noSpecExec：是否是可以乱序执行，即不需要等待前面的指令提交完成再执行
   • blockBackward：是否阻塞后面的指令，即需要等待当前指令提交完成后续指令才能进入rob
   • flushPipe：是否需要清空流水线，即当前指令提交完成后需要清空流水线
   • canRobCompress：指令是否支持rob压缩(对于不会触发异常的指令，其不处于FTQ的边界时，我们认为它是可以进行Rob压缩的)
   • uopSplitType：指令拆分类型。标量指令拆分类型均为UopSplitType.SCA_SIM无需拆分，向量指令和AMO_CAS指令需要拆分；向量指如果令仅需要拆分出一条uop且无需对指令控制信号进行修改，则拆分类型为UopSplitType.dummy从而进入向量复杂译码器进行向量指令异常检查。

3. VPUCtrlSignals
   向量指令和浮点指令需要设置VPUCtrlSignals。VPUCtrlSignals包含用于向量配置的sew、lmul等信息。

   • 向量指令：的向量配置信息来源于DecodeStage中VtypeGen的vtype信息。
   • 浮点指令：浮点模块和向量模块独立，但复用了和向量相同的运算单元，运算单元通过sew信息指定元素的位宽，因此会通过一个专门用于浮点指令的译码子模块FPToVecDecoder生成浮点指令的VPUCtrlSignals控制信号。

4. FPUCtrlSignals
   在译码子模块FPDecoder生成，rm信号用于控制浮点舍入，wflags用于控制i2f模块和fflag更新，其余信号用于控制i2f模块

     class FPUCtrlSignals(implicit p: Parameters) extends XSBundle {
       val typeTagOut = UInt(2.W) // H S D
       val wflags = Bool()
       val typ = UInt(2.W)
       val fmt = UInt(2.W)
       val rm = UInt(3.W)
     }
   

   • uopnum UopInfoGen生成指令拆分的数量。标量指令的指令拆分数量为1，AMO_CAS指令根据类型拆分数量可为2或4，向量指令的指令拆分数量需要根据lmul计算指令拆分数量，其中向量访存指令还需要根据lmul、sew、eew计算指令拆分数量。

5. 转译处理

   • move指令
     由于move指令是一条特殊的addi指令，会通过指令字段识别出move指令，在后续rename阶段进行move消除
   • zimop指令
     由于zimop指令只需要将vd写为0，转译为一条src为x0，imm为0的addi指令
   • csrr vlenb指令 vlenb的值固定，转译为一条src为x0，imm为VLEN/8的addi指令
   • csrr vl指令 vl使用独立寄存器堆，因此支持重命名并乱序执行，读vl指令会转换为一条读vl写对应rd的vset指令
   • 软预取指令
     将fuType修改为FuType.ldu.U，传入对应的功能单元进行处理

6. 异常处理 DecodeUnit中会处理illegalInstr（异常值为2）和virtualInstr（异常值为22）两种异常

   • illegalInstr
   • 检查立即数选择是否无效
   • 指令在某些CSR设置下执行的异常
   • 向量相关的异常不在该模块检查，在复杂译码器中进行
   • virtualInstr
   • 指令在某些CSR设置下执行的异常

二级模块 DecodeUnitComp

输入输出

指令拆分只是对指令中的操作数寄存器号、操作数类型等信息进行修改，因此输入和输出的类型都是DecodeUnitCompInput。由于vset指令的vtype信息需要通过译码获得，而不是通过vtypegen获得，因此会通过vtypebypass信号，将vset指令使用的vtype更新为该vset指令的vtype信息。 - DecodeUnitCompIO

    class DecodeUnitCompIO(implicit p: Parameters) extends XSBundle {
      val redirect = Input(Bool())
      val csrCtrl = Input(new CustomCSRCtrlIO)
      val vtypeBypass = Input(new VType)
      // When the first inst in decode vector is complex inst, pass it in
      val in = Flipped(DecoupledIO(new DecodeUnitCompInput))
      val out = new DecodeUnitCompOutput
      val complexNum = Output(UInt(3.W))
    }

功能

将一条向量指令，根据拆分类型以及lmul信息，生成多个微操作，并对微操作中的操作数寄存器号、操作数类型等信息进行修改。同时，向量指令的异常检查也在该模块中进行。该模块使用一个状态机，仅当没用指令进行处理或拆分的指令处理完成的当拍，ready信号才会拉高，从而处理下一条指令。

设计规格

目前指令拆分的种类较多，未来会进行精简优化

拆分类型	对应的指令类型
AMO_CAS_W/AMO_CAS_D/AMO_CAS_Q	AMO_CAS指令
VSET	vset指令
VEC_VVV	两个源寄存器和目标寄存器都是向量寄存器的指令
VEC_VFV	一个源寄存器是浮点寄存器，一个源寄存器和目标寄存器都是向量寄存器的指令
VEC_EXT2/VEC_EXT4/VEC_EXT8	向量符号扩展指令
VEC_0XV	标量到向量的move指令
VEC_VXV	一个源寄存器是标量寄存器，一个源寄存器和目标寄存器都是向量寄存器的指令
VEC_VVW/VEC_VFW/VEC_WVW/VEC_VXW/VEC_WXW/VEC_WVV/VEC_WFW/VEC_WXV	widening/narrow向量指令
VEC_VVM/VEC_VFM/VEC_VXM	目标寄存器是mask寄存器的向量指令
VEC_SLIDE1UP	vslide1up指令
VEC_FSLIDE1UP	vfslide1up指令
VEC_SLIDE1DOWN	vslide1down指令
VEC_FSLIDE1DOWN	vfslide1down指令
VEC_VRED	标量reduction指令
VEC_VFRED	乱序浮点reduction指令
VEC_VFREDOSUM	顺序浮点reduction指令
VEC_SLIDEUP	vslideup指令
VEC_SLIDEDOWN	vslidedown指令
VEC_M0X	vcpop指令
VEC_MVV	vid/viota指令
VEC_VWW	标量widening reduction指令
VEC_RGATHER	vrgather指令
VEC_RGATHER_VX	其中一个操作数来自标量寄存器的vrgather指令
VEC_RGATHEREI16	vrgatherei16指令
VEC_COMPRESS	vcompress指令
VEC_MVNR	vmvnr指令
VEC_US_LDST	unit-stride load/store指令
VEC_S_LDST	strided load/store指令
VEC_I_LDST	indexed load/store指令

二级模块 VecExceptionGen

• Inputs:
• inst：32bits指令
• decodedInst：译码后的信息
• vtype：vtype信息

• vstart：vstart信息

• Output:

• illegalInst：指令是否异常

功能

检查向量指令是否发生异常，除向量访存指令的访存相关异常，均在译码阶段进行检查。

设计规格

将向量指令相关的异常分为了以下八种：

异常名称	描述
inst Illegal	reserved指令报异常
vill Illegal	vtype的vill字段为1时，执行vset以外的向量指令时报异常
EEW Illegal	向量浮点指令、符号拓展指令、widening指令、narrow指令eew异常
EMUL Illegal	向量访存指令、符号拓展指令、widening指令、narrow指令、vrgatherei16指令elmul异常
Reg Number Align	vs1、vs2、vd未按lmul对齐
v0 Overlap	部分指令读v0寄存器同时修改v0时报异常
Src Reg Overlap	部分指令vs1、vs2和vd重合时报异常
vstart Illegal	vstart不等于0时，执行vset和向量访存指令以外的向量指令时报异常

其中一种触发异常，则将异常信号拉高