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寄存器重命名

  1. RenameStage - 重命名阶段顶层模块
  2. RenameMapTable - 寄存器映射表
  3. RenameFreeList - 空闲物理寄存器列表
  4. RenameBusyTable - 寄存器忙状态表

RenameStage

整体两阶段流水线：

  • 阶段1(Ren1)：接收来自解码阶段的微操作(uop)

  • 阶段2(Ren2)：完成重命名并发送到调度队列

  • 通过MapTable完成逻辑寄存器到物理寄存器的映射

  • 通过FreeList分配新的物理寄存器

  • 通过BusyTable跟踪寄存器忙状态

  • 处理分支预测错误时的恢复

AbstractRenameStage——寄存器重命名的基础抽象类

micro微操作集定义在micro-op.scala

包含了指令基本信息，逻辑寄存器编号，物理寄存器编号（重命名阶段分配），寄存器忙状态（BusyTable 提供），分支预测相关，执行信息

1. 流水线控制信号
信号 方向 描述
ren_stalls Output 每个指令槽的重命名阻塞信号（如空闲寄存器不足时阻塞对应指令）
kill Input 全局流水线清除信号（分支预测失败或异常时触发）
dec_fire Input 来自解码阶段的指令有效信号（标记哪些指令需要被处理）
dec_uops Input 解码后的微操作（MicroOp）输入，包含逻辑寄存器编号等信息
2. 重命名输出
信号 方向 描述
ren2_mask Output 重命名后有效的指令掩码（标记哪些指令成功通过重命名阶段）
ren2_uops Output 重命名完成后的微操作（已替换为物理寄存器编号，并更新忙状态）
3. 分支处理
信号 方向 描述
brupdate Input 分支更新信息（包含分支误预测和恢复所需的标签）
4. 分发接口
信号 方向 描述
dis_fire Input 后续分发阶段（Dispatch）的确认信号（标记哪些指令被成功接收）
dis_ready Input 分发阶段是否准备好接收新指令
5. 写回唤醒
信号 方向 描述
wakeups Input 来自执行单元的写回信号（用于更新忙状态表，标记寄存器已就绪）
6. 提交与回滚
信号 方向 描述
com_valids Input 提交阶段的有效信号（标记哪些指令已提交）
com_uops Input 提交的微操作（用于释放物理寄存器）
rbk_valids Input 回滚指令的有效信号（分支误预测时需要撤销的指令）
rollback Input 回滚触发信号（与rbk_valids配合使用）
7. 调试接口
信号 方向 描述
debug_rob_empty Input ROB（重排序缓冲区）是否为空的调试信号
debug Output 重命名阶段的调试信息（包含空闲列表、待释放列表和忙状态表）

两级流水线寄存器逻辑

**ren1 **接收来自解码阶段（Decode）的指令。

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ren1_fire(w) := io.dec_fire(w)       // 指令是否有效
ren1_uops(w) := io.dec_uops(w)       // 微操作数据

ren2 完成寄存器重命名，并等待分发阶段（Dispatch）接收。

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ren2_fire := io.dis_fire             // 分发阶段确认接收
ren2_ready := io.dis_ready           // 分发阶段是否就绪

流水线寄存器 缓存 ren1 的数据，直到 ren2 可以接收。

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when (io.kill) {
  r_valid := false.B                 // 清除流水线（分支预测失败）
} .elsewhen (ren2_ready) {
  r_valid := ren1_fire(w)            // 新指令进入 ren2
  next_uop := ren1_uops(w)           // 更新微操作
} .otherwise {
  r_valid := r_valid && !ren2_fire(w) // 如果指令未被接收，保持有效
  next_uop := r_uop                  // 保持当前微操作
}
  • kill：全局清除信号（如分支预测失败）。
  • ren2_ready：如果分发阶段就绪，ren2 可以接收新指令。
  • ren2_fire：如果分发阶段接收了当前指令，则 r_valid 被清除。

寄存器重命名 (BypassAllocations 调用)

在更新 r_uop 时，调用 BypassAllocations 处理旁路：

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r_uop := GetNewUopAndBrMask(BypassAllocations(next_uop, ren2_uops, ren2_alloc_reqs), io.brupdate)

ren2_uops：当前 ren2 阶段的所有指令（用于同一周期旁路）。

ren2_alloc_reqs：标记哪些指令修改了寄存器。

输出 (io.ren2_mask 和 io.ren2_uops)

io.ren2_mask：标记哪些 ren2 指令有效：

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io.ren2_mask := ren2_valids

io.ren2_uops：输出重命名后的微操作（包含物理寄存器编号和忙状态）：

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ren2_uops(w) := r_uop

旁路处理

处理 同一周期内指令间的寄存器依赖（如 WAW/WAR 冲突），确保后续指令能读取最新的物理寄存器。

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def BypassAllocations(uop: MicroOp, older_uops: Seq[MicroOp], alloc_reqs: Seq[Bool]): MicroOp

uop：当前指令的微操作。

older_uops：同一周期内更早处理的指令。

alloc_reqs：标记哪些指令修改了寄存器。

检测依赖：检查当前指令的源寄存器（lrs1/lrs2/lrs3）是否被前面的指令修改。

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val bypass_hits_rs1 = (older_uops zip alloc_reqs).map { case (r,a) => a && r.ldst === uop.lrs1 }

选择最新寄存器：使用 PriorityEncoderOH 选择最先修改的物理寄存器。

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when (do_bypass_rs1) { bypassed_uop.prs1 := Mux1H(bypass_sel_rs1, bypass_pdsts) }

更新忙状态：如果发生旁路，标记寄存器为“忙”。

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bypassed_uop.prs1_busy := uop.prs1_busy || do_bypass_rs1

RenameMapTable

功能：维护逻辑寄存器 → 物理寄存器的映射。

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maptable.io.map_reqs   // 查询源寄存器（lrs1/lrs2/lrs3）
maptable.io.remap_reqs // 更新目标寄存器（ldst → pdst）
maptable.io.ren_br_tags // 分支标签（用于快照）

RenameFreeList

管理空闲物理寄存器的分配和释放。

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freelist.io.reqs          // 分配请求（每指令1个）
freelist.io.alloc_pregs   // 分配的物理寄存器（如p60）
freelist.io.dealloc_pregs // 释放的寄存器（提交或回滚时）：

优先分配低位寄存器（如 p1 比 p2 优先）。

避免分配 p0（通常固定为0值）。

寄存器分配请求

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ren2_alloc_reqs(w) := ren2_uops(w).ldst_val && ren2_uops(w).dst_rtype === rtype && ren2_fire(w)
  • 仅当指令需要写入寄存器（ldst_val）且类型匹配（整数/浮点）时触发分配。

分支恢复

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remap_reqs(w).ldst := Mux(io.rollback, com.ldst, ren2.ldst)
remap_reqs(w).pdst := Mux(io.rollback, com.stale_pdst, ren2.pdst)
  • 正常情况：更新映射为 ren2.pdst（新分配的物理寄存器）。
  • 回滚情况：恢复为 com.stale_pdst（分支前的旧映射）。

阻塞信号

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io.ren_stalls(w) := (ren2_uops(w).dst_rtype === rtype) && !can_allocate

三张表的具体实现

RenameMapTable

RenameMapTable维护逻辑寄存器到物理寄存器的映射：

  1. 核心数据结构：
    • map_table：当前逻辑到物理寄存器的映射数组
    • br_snapshots：分支预测时保存的快照
  2. 主要操作：
    • 映射请求：为每个uop提供逻辑寄存器到物理寄存器的转换
    • 重映射：当分配新物理寄存器时更新映射关系
    • 分支处理：保存和恢复分支预测时的映射状态
  3. 特点：
    • 支持旁路(bypass)同一周期内前面指令的重命名结果
    • 特殊处理x0寄存器(硬编码为0)

RenameFreeList

RenameFreeList管理可用的物理寄存器：

  1. 核心数据结构：
    • free_list：位向量表示哪些物理寄存器可用
    • br_alloc_lists：为每个分支保存分配的物理寄存器列表
  2. 主要操作：
    • 分配物理寄存器给需要写寄存器的uop
    • 回收已提交指令释放的物理寄存器
    • 处理分支预测错误时的寄存器回收
  3. 分配算法：
    • 使用SelectFirstN选择第一个可用的物理寄存器
    • 支持多分配(每个周期最多分配plWidth个寄存器)

RenameBusyTable

RenameBusyTable跟踪物理寄存器的忙状态：

  1. 核心数据结构：
    • busy_table：位向量表示哪些物理寄存器正在被使用
  2. 主要功能：
    • 标记新分配的寄存器为"忙"
    • 当寄存器写回时清除忙状态
    • 提供寄存器忙状态查询
  3. 特点：
    • 支持旁路同一周期内前面指令的分配结果
    • 区分整数和浮点寄存器