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Uncache 处理单元 Uncache

更新时间 代码版本 更新人 备注
2025.02.26 eca6983 Maxpicca-Li 完成初版

功能描述

Uncache 作为LSQ和总线的桥梁，主要用于处理 uncache 访问到总线的请求和响应。目前 Uncache 不支持向量访问、非对齐访问、原子访问。

Uncache 的功能概述如下：

  1. 接收 LSQ 传过来的 uncache 请求，包括 LoadQueueUncache 传来的 uncache load 请求 和 StoreQueue 传来的 uncache store 请求
  2. 选择候机的 uncache 请求发送到总线，等待并接收总线回复
  3. 将处理完的 uncache 请求返回给 LSQ
  4. 前递寄存的 uncache store 请求的数据给 LoadUnit 中正在执行的 load

Uncache Buffer 结构上，目前有 4 项（项数可配）Entries 和 States，一个总的状态 uState。下列为各项具体细节。

Uncache 的 Entry 结构如下：

  • cmd：标识请求是 load 还是 store，当前版本0为load，1为store。
  • addr：请求物理地址。
  • vaddr：请求虚拟地址。主要用于前递时判断虚实地址是否 match
  • data：store 要写入的数据，或 load 要读取的数据，目前仅支持 64 bits 以内的数据访问。
  • mask：请求访问掩码，每 byte 使用一位来表示当前有没有数据，共 8 位。
  • nc：请求是否是 NC 访问。
  • atomic：请求是否是原子访问。
  • memBackTypeMM：请求所访问的地址，是否是 PMA 为 main memory 类型，但 PBMT 为 NC 类型。主要用于 L2 Cache NC 相关逻辑。
  • resp_nderr：总线告知 Uncache，该请求是否能处理。

Uncache 的 State 结构如下：

  • valid：该项是否有效。
  • inflight：1 表示该项请求已经发往总线。
  • waitSame：1 表示当前 buffer 里存在与该项请求所访问数据块重合的其他请求，已经发往总线。
  • waitReturn：1 表示该项的请求已经接收到总线回复，等待写回 LSQ。

Uncache 的 uState，表征忽视 outstanding 时一个请求项的各个状态：

  • s_idle 默认状态
  • s_inflight 已经发送了一个请求到总线上，但还未收到回复
  • s_wait_return 已经收到回复，但还未返回给 LSQ

状态转换如下：

ustate 状态转换示意图

特性 1：入队逻辑

（1）每一拍最多处理 1 个从 LSQ 发来的请求，然后检查请求是否能进入 Buffer，若能，则检查是合并到老项还是分配新项。该请求的入队行为有：

  1. 分配新项，标记 valid

  2. 无相同块地址项

  3. 分配新项，标记 valid 和 waitSame

  4. 有相同块地址项：满足首要合并条件，不满足次要合并条件。

  5. 合并到老项

  6. 有相同块地址项：满足首要合并条件，满足次要合并条件。

  7. 拒绝

  8. ubuffer 满

  9. 有相同块地址项：不满足首要合并条件

其中，块地址，即 blockAddr，为每 8 Bytes 的起始地址。首要合并条件指，来项和老项均为 NC 访问、各个属性相同、与老项合并后的 mask 满足连续且自然对齐、且该项当拍没有正在或已经完成了总线访问。次要合并条件是指老项有效、还没有发送总线访问、也没有当拍被选中发往总线访问（因为如果一旦正在或已经发往总线，总线请求已经无法更改，只能分配新项，等待老项收到总线请求后再发送该请求）。

另外，分配新项，会设置 entry 的各个内容；合并老项，会更新 mask，data, addr 等内容。其中 addr 更新需要保证自然对齐。

由于总线访问不一定保序，尤其是 outstanding 时，总线上会同时处理多个 uncache 访问请求。故相同地址的请求不能同时出现在总线中，以保证该地址数据块的被访问顺序。故只有新项满足首要和次要的合并条件，才能合并到老项。

（2）下一拍，返回所分配的 Uncache Buffer 项目 ID。由 LoadQueueUncache 或 StoreQueue 保管该 ID，用于映射 uncache 返回的 resp。因为 Uncache Buffer 有合并功能，即其返回的 resp 可能对应 LoadQueueUncache 中的多个项。

特性 2：出队逻辑

从当拍已经完成总线访问的项（即状态高位有 valid 和 waitReturn）中，选择一项，返回给 LSQ，并清除所有 state 标识位。

特性 3：总线交互和 outstanding 逻辑

总线交互和 outstanding 逻辑分以下两个部分：

（1）发起请求

无 outstanding 时，仅当 ustate 为 s_idle 时才能发送请求到总线上。从各个项中选出一个目前可以发往总线的请求，即各状态位仅 valid 置 1 ，发往总线。有 outstanding 时，可无视 ustate 即选择请求项，并发往总线。其中 source 位为该请求项的 id。

当请求发往总线时，需要遍历请求项，将相同块地址的其他项的 waitSame 置位。

（2）收到回复

当收到总线回复时，根据 source 位确定该请求对应的 buffer 项，更新数据并置位 waitReturn。

此外，需要遍历请求项，将当前相同块地址的 waitSame 清除。

特性 4：前递逻辑

理论需求上，前递逻辑主要针对 NC 访问。当开启 outstanding 时，uncache NC store 从 StoreQueue 成功写入 Uncache Buffer 后，StoreQueue 便会将该项出队，不在维护。故此时的 Uncache Buffer 将承担前递该 store 数据的责任。由于 Uncache Buffer 的入队逻辑存在合并，同一时间，相同地址在 Uncache Buffer 中最多出现 2 项。若出现 2 项，其中一项一定为 inflight，另一项一定为 waitSame。因为 StoreQueue 的顺序出队，前者数据更老，后者数据更新。

实际处理上，当 uncache NC load 向 Uncache Buffer 发起前递请求时，Uncache 会比较现有项的块地址，有可能会找到匹配的项，这个项可能是已经发往总线的，也可能是还未发往总线的。前者数据更老，后者数据更新即优先级更高。在第一拍 f0 主要进行虚拟块地址匹配，以在当拍返回 forwardMaskFast，在第二拍 f1 进行的物理块地址匹配和数据合并，并返回结果。

特性 5：刷新逻辑

刷新，是指将 Uncache Buffer 内的所有项全部完成总线访问并返回给 LSQ 后才能接受新项的进入。当产生 fence \ atomic \ cmo 或前递出现虚实地址不匹配时，会刷新 Uncache Buffer。此时 do_uarch_drain 置位，不再接受新项的进入。当所有项都完成任务后，do_uarch_drain 清除，开始正常接受新项的进入。

整体框图

ubuffer整体框图

接口时序

LSQ 接口时序实例

下图是一个比较详细的接口案例，共 4 个 uncache 访问。第 5 拍前陆续接收 m1、m2、m3，并在其请求发起的随后一拍返回 idResp。第 6 拍 Uncache 满，m4 被停滞。第 9+n 拍完成 s1 的所有访问并写回，释放了一个项。故第 10+n 拍 io_lsq_req_ready 拉高，m4 被接收。之后的拍数里陆续写回其他 uncache 访问请求。

Uncache 与 LSQ 的接口时序示意图

总线 接口时序实例

（1）没有 outstanding 时，每段只能发出一个 uncache 请求（由 uState 控制流出量），直至收到 d 通道回复，才能再次发起 uncache 请求。

Uncache 与总线的接口时序示意图

（2）有 outstanding 时，每段可发出多个 uncache 访问（由 auto_client_out_a_ready 控制流出量）。如下图，第 2、3拍连续发出两个请求，并在第 6+n、第 8+n拍收到访问结果。

outstanding 时 Uncache 与总线的接口时序示意图