从零开始学RISC-V之初探IFU

背景介绍

CPU内核设计几大块，主要包含取指单元（IFU），执行单元（EXU），访存单元（LSU），异常与中断（INT）以及调试单元（DBG）。一条指令的从取指单元开始，经过执行单元完成具体运算，按指令类型确定是否会访问内部或外部存储器，异常和中断负责处理特殊的情况，调试则是软件与硬件的窗口。每个模块的设计原则和侧重点都不一样。本节将从取指单元开始，介绍一条最简单的指令的运行过程。由于项目定位为一个入门级学习型项目，因此可能不会涉及到同步异常，不会涉及到中断以及调试单元等复杂模块。

让IFU开始读数据吧

终于开始IFU的设计了，这也就意味着你正式踏入CPU Core设计的领域了。不得不说，这是一个很大的进步。

IFU全称叫Instruction Fetch Unit，即指令获取单元。顾名思义，该单元的主要功能是从IRAM中按需获取指令，并将该指令发送给后续单元，比如说执行单元，进行处理。按照不同的应用场景介绍其工作原理，列述如下：

当CPU处于上电之初状态时，IFU会使用指定的初始地址，也就是CPU的复位地址，从IRAM中获取指令。
如果该指令没有发生普通跳转（或异常等其他情况），则IFU会根据指令长度（对于xf100来说，指令长度为4字节），计算出下一次取指的地址，就是当前使用地址(PC)+4。
如果该指令是一条跳转指令，那么IFU同样需要根据一些历史信息来判断其下一次取指的地址。这种常见于高级编程语言中的if-else结构。由于IFU在判断时，某些历史信息并不是很准确，因此原则上会发生预测错误的情况，这个时候就需要将已经取到的预测地址的数据丢弃，而用正确的真实的地址重新取指。以一个if-else为例说明：

if (a == b)
    branch_a
else
   branch_b

上述实例中，对于不同的a和b的值，会执行不同的语句体。一般来讲，当IFU取到if语句对应的指令（这是一条跳转指令）时，它会根据当前的信息预测到底是取branch_a代表的指令，还是branch_b代表的指令。不论怎样，它都会有一个预测的结果P。但是if语句的执行结果是依赖a和b的值的，IFU并不知道这两个值的比较结果（因为指令的具体执行有专门的执行单元负责），因此有可能IFU预测的是错的。比如IFU预测的是后面应该执行branch_a，但是实际执行结果却是下一条指令应该执行branch_b，这样，IFU提前取到的branch_a就是一个错误的不该在此时被取到的指令。在错误的时间遇到的人，注定是要放弃的，希望大家明白。这个过程，就是大名鼎鼎的分支预测机制。分支预测算法对处理器性能有很大的影响，毕竟频繁的预测错误-丢弃的结果就是极大浪费时间，因此属于CPU设计的重难点之一。

总的来说，IFU的功能，就是保证在正确的时间取到正确的数据。

作为刚刚一脚踏入IFU设计的人来讲，我们暂时将这些复杂的分支预测机制放一放，先把IFU最最最基本的功能实现吧。那就是：你是一个成熟的IFU了，应该要知道从指定的地址去获取数据了。

一个“成熟”的IFU的实现代码如下：

    ////////////////////////////
    // 成熟的IFU
    module xf100_ifu  (
     // 与下一单元（EXU）的接口，本节暂时先不管
     output         o_ifu_exu_valid,
     input          o_ifu_exu_ready,
     output [31:0]  o_ifu_exu_pc,
     output [31:0]  o_ifu_exu_instr,
    
     // 与IRAM单元的接口
     output         ifu2ram_cs  ,
     output         ifu2ram_wen , 
     output [14:0]  ifu2ram_addr, 
     input  [31:0]  ifu2ram_din , 
    
     input   clk   ,
     input   rst_n
    );
    
    wire ifu_exu_valid;
    xf100_gnrl_dfflr #(1) ifu_valid_dfflr (clk, rst_n, 1'b1, 1'b1, ifu_exu_valid);
    
    // set pc
    `define RST_PC 32'h80000000  // 复位PC，当CPU上电时，IFU会从此地址获取到第一条指令。
    reg [31:0] ifu_pc;
    
    wire ifu_upena = o_ifu_exu_valid & o_ifu_exu_ready;
    // 就目前来讲，IFU会无条件自动获取相邻的下一条指令，所以IFU地址会一直+4
    wire [31:0] ifu_pc_nxt = ifu_pc + 32'h4; 
    always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
     if (rst_n == 1'b0) begin
     ifu_pc <= `RST_PC;
     end else if(ifu_upena) begin
     ifu_pc <= ifu_pc_nxt;
     end
    end
    
    assign o_ifu_exu_valid = ifu_exu_valid; // for now we just fix the ifu2exu valid to 1, assuming that the instr data from sram is always valid.
    assign o_ifu_exu_pc = ifu_pc;
    assign o_ifu_exu_instr = ifu2ram_din;
    
    // set the ifu req to instr sram.
    assign ifu2ram_cs  = 1'b1 & o_ifu_exu_ready; 
    assign ifu2ram_wen = 1'b0;  //IFU总是读IRAM，因此写使能一直拉低。
    assign ifu2ram_addr = ifu_pc; //每次IFU取指令的地址
    
    endmodule

以上就是IFU初探的所有设计。代码中涉及到了一种非常有效的控制机制,valid-ready握手机制。这一机制严格把控每一条指令的执行，每一个状态的翻转，从逻辑思路上保证CPU运行的严谨性，需要好好体会。后续文章会逐步深入解析该握手机制的运行原理。

将上述IFU和IRAM，按照预先设计好的逻辑层次例化，就完成了本节内容所预定的任务。在我们的xf100中，它是这样的：

tb_top是最顶层文件，它会例化xf100_soc
xf100_soc包含xf100_core和xf100_inst_ram两个模块，分别对于cpu core和IRAM。
xf100_core包含xf100_ifu和其他模块（暂时用不到）。

例化完成之后，就可以执行加载与仿真了。

加载与仿真

首先在tb/tb_top.v文件里添加对IRAM的上电初始化操作。

// initial instruction ram.
`define INSTR_RAM u_xf100_soc.inst_ram.u_gnrl_inst_ram
integer i;
reg [7:0] instr_mem [0:16384*4-1];

initial begin
 $readmemh("../../riscv-tools/riscv-tests/isa/generated/rv32ui-p-add.verilog", instr_mem);

 for (i=0;i<16384*4;i=i+1) begin
 `INSTR_RAM.ram_r[i] = instr_mem[i];
 end


end

修改vsim/Makefile中的install部分，让新建的.v代码文件能被编译工具识别。需要注意的是此处的路径千万不能出错，否则会在编译过程中出现模块未定义的错误。

install: 
 mkdir -p ${SIM_DIR}/install/tb
 mkdir -p ${SIM_DIR}/install/rtl/${CORE}
 cp ${SIM_DIR}/../tb/tb_top.v ${SIM_DIR}/install/tb/ -rf
 cp ${SIM_DIR}/../../design ${SIM_DIR}/install/rtl/${CORE}/ -rf

其余改动，你可以根据自身使用工具的情况自行修改。再次提醒注意各个文件的路径，包括存储路径，或者编译过程中使用的其他路径。一般而言，出现模块未定基本上都是这类原因。

上述改动完成之后，就可以运行仿真并查看波形了。实例波形图如下：

ifu接口波形图.png

从图中可以看出，Addr（注，此处只使用了15bit），按照步长4依次递增。同时从IRAM中返回于地址对应的指令数据。该数据可以与dump文件，也就是程序的反汇编文件对比，用于后续代码的调试。

下一步，我们将进入指令的执行模块，看看第一条加法指令到底是如何被执行的。

总结一下

IFU主要功能是从指定地址获取指令数据，并自行预测下一次读取指令的地址。有可能会预测错误，所以会产生一定的代价，IFU的设计目标之一是减少预测的准确率，并同时降低错误预测代价。
valid-ready握手机制在此处刚刚露了脸，但是由于仅仅只有IFU，因此其作用并未显现，但该机制是保证CPU功能的核心，需要注意。

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