【香山双周报 57】20240819 期

欢迎来到我们的双周报专栏，本次是香山双周报专栏的第 57 期。我们将通过这一专栏，定期介绍香山的开源进展，希望与大家共同学习、一起进步。

近期，昆明湖各组持续推进面积、时序、功耗的优化。此外，前端修复了重构 IFU 引入的跨页异常 Bug，后端完成了寄存器堆 Cache 设计，访存和缓存部分完成 CHI-L3 代码设计，接入香山系统测试。本期还更新了昆明湖架构近期性能。

近期进展

前端

• Bug 修复

  • RAS 预测器推测栈溢出由不处理溢出改为阻塞 BPU 流水 (#3389)
  • 修复重构 IFU 异常处理部分代码引入的 32b 指令跨页异常 Bug，同时修复了此处南湖遗留的 Bug。

• RVA23 Profile

  • Zicbop prefetch.i 指令 (#3396)
  • Svpbmt (#3404)

• 面积&功耗

  • ITTAGE 预测器更新使用的信息从 Checkpoint 机制（保存在 FTQ 中）改为更新时读 (#3367)

后端流水线

• Bug 修复

  • 持续推进功能 Bug 修复，共修复 60 余例，以下是部分 PR：
  • 修复 V 拓展功能 Bug (#3384, #3358, #3296, #3284, #3399, #3391)
  • 修复特权级功能 Bug (#3379, #3360, #3353, #3338, #3327, #3314, #3324, #3301, #3300)
  • 修复 H 拓展功能 Bug (#3397, #3385, #3378, #3375, #3357, #3343, #3342, #3331, #3317, #3308, #3305, #3298)

• 时序优化

  • 优化传递到前端 Ibuf 的 ready 信号逻辑 (#3293)
  • 优化 Ibuf bypass 的读指针以及输出逻辑 (#3344)
  • 移除 loadCancel 到发射队列和 BusyTable 中的部分伪路径 (#3374, #3382, #3364)

• 寄存器堆 Cache

  • 完成寄存器堆 Cache 设计，已合入主线：寄存器读端口从 15 减少到 10，整数性能对比 base 提升 1.5% (#3290)

• Difftest 框架

  • FCSR/PC 加入 Difftest 对比框架，修复向量和浮点相关 CSR 对比机制 (#3359, #3294)

• RVA23 Profile

  • 支持可能操作/压缩可能操作拓展 (Zimop/Zcmop) (#3409)
  • Sstvala/Shvstvala 通过冒烟用例测试
  • 增强浮点拓展/向量 FP16 最小拓展/标量 FP16 最小拓展 (Zfa/Zfhmin/Zvfhmin) 设计完成，正在测试

访存与缓存

• CHI 总线

  • CHI-L3（OpenLLC）完成代码设计，接入香山系统测试，构建 CHI-L2+OpenLLC+DummyLLC(CHI2AXI) SoC，跑通单核 CoreMark 以及 Linux-hello
  • 在 OpenLLC 中添加对 CHI 的 CMO 指令的支持
  • 制定 CHI2AXI 转接桥的设计方案，开始进行 RTL 设计

• RVA23 Profile

  • 标量非对齐访存（Zicclsm + Zama16b）扩展：已通过开虚存的 riscv-test 测试，准备合入主线 (#3320)
  • Cache 操作（Zicbom + Zicboz）扩展：正在 NEMU 和 DiffTest 上添加对 CBO 指令的支持
  • 软件预取（Zicbop）扩展：完成软件数据预取部分 (#3320)
  • 基于页的内存属性（Svpbmt）扩展：添加 Svpbmt 基本通路支持 (#3404)
  • 48 位虚存管理（Sv48）扩展：已通过 Sv48 & Sv48x4 测试并完成时序评估，准备合入主线 (#3406)
  • 完成 RVA23 CMO 代码设计，接入支持 CMO 请求的 OpenLLC 的 TL-Test 框架进行测试，能正确运行单条 CMO 请求

• 性能

  • TP meta on L2 添加 TP metaBuffer，用于缓存有效的 TP meta，缓解 TP meta 与 L2 数据的负面竞争；添加基于访存频率的 TP 开关，在访存密集时关闭 TP
  • L2 Tubins 替换算法经测试，性能分数相较 DRRIP 替换算法有 0.15% 的提升
  • L3 Chrome 替换算法在通过单元测试框架 trace 激励的测试与参数调优后，在 mcf 上命中率提升 27%，但在部分 checkpoint 上命中率下降；对 EQ 空间压缩进行进一步探索

• 工具

  • TL-Test 框架迭代，可将 TL Log 解析成为 trace（TL Trace），作为测试激励
  • 添加向量扩展相关的 CI 测试 (#3268)

• 时序优化

  • 修复一系列 MemBlock 的关键路径，主要包括标量 load / store 指令的发射和写回 (#3208)。目前 MemBlock 内部违例约 -60ps，Backend-MemBlock 端口违例约 -125ps。

评估

我们采用 SimPoint 对程序进行采样，基于我们自定义的 Checkpoint 格式制作检查点镜像，Simpoint 聚类的覆盖率为 100%。SPEC06 使用 gcc 12 进行编译，开启 O3 优化，采用 jemalloc 内存库，设置 SPEC06FP 的-ffp-contraction 选项为 fast，指令集为 RV64GCB。我们使用 8 月 12 日 9d9be651a 版本的香山处理器（缓存大小配置为 64KB L1 ICache + 64KB L1 DCache + 1MB L2 + 16MB L3，访存单元为 3ld2st 流水线），在仿真环境下运行了 SPEC06 片段，使用 DRAMsim3 模拟 CPU 在 3GHz 情况下 DDR4-3200 内存的延迟。以下为 SPECCPU 2006 的分数估计情况：

SPECint 2006	@ 3GHz	SPECfp 2006	@ 3GHz
400.perlbench	33.52	410.bwaves	76.87
401.bzip2	24.96	416.gamess	43.36
403.gcc	47.68	433.milc	42.66
429.mcf	58.82	434.zeusmp	59.14
445.gobmk	30.03	435.gromacs	37.84
456.hmmer	40.26	436.cactusADM	47.84
458.sjeng	29.72	437.leslie3d	45.73
462.libquantum	126.91	444.namd	34.32
464.h264ref	56.48	447.dealII	74.12
471.omnetpp	41.12	450.soplex	54.53
473.astar	28.96	453.povray	55.70
483.xalancbmk	75.09	454.Calculix	18.14
GEOMEAN	44.09	459.GemsFDTD	36.91
		465.tonto	35.73
		470.lbm	101.20
		481.wrf	42.14
		482.sphinx3	51.49
		GEOMEAN	47.16

上述分数为基于程序片段的分数估计，非完整 SPEC CPU 2006 评估，和真实芯片实际性能可能存在偏差！

后记

香山开源处理器正在火热地开发中，新的功能与新的优化在持续添加中，我们将通过香山双周报专栏定期地同步我们的开源进展。感谢您的关注，欢迎在后台留言与我们交流！

在香山昆明湖架构研发后期，性能会每月公布一次，敬请期待！

相关链接

• 香山技术讨论 QQ 群：879550595
• 香山技术讨论网站：https://github.com/OpenXiangShan/XiangShan/discussions
• 香山文档：https://xiangshan-doc.readthedocs.io/

编辑：李燕琴、林志达、满洋、刘泽昊、冯浩原、马月骁

审校：香山宣传工作组