DMR_ 兼容RISC-V架构的乱序超标量通用处理器核 - 孙彩霞, 郑重, 邓全, 隋兵才, 王永文, 倪晓强.pdf
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计 算 机 研 究 与 发 展
DOI
:
１０．７５４４∕issn１０００Ｇ１２３９．２０２１．２０２１０１７６
JournalofCom
p
uterResearchandDevelo
p
ment ５８
(
６
):
１２３０ １２３３
,
２０２１
收稿日期
:
２０２１
－
０３
－
０１
;
修回日期
:
２０２１
－
０４
－
１９
基金项目
:
广东省重点领域研发计划
(
２０１９B１２１２０４００７
)
Thisworkwassu
pp
ortedb
y
theKe
y
ＧAreaResearchandDevelo
p
mentPro
g
ramofGuan
g
don
g
Province
(
２０１９B１２１２０４００７
)
．
通信作者
:
郑重
(
zhen
g
_
zhon
g
＠nudt．edu．cn
)
DMR
:
兼容
RISCＧV
架构的乱序超标量通用处理器核
孙 彩 霞
郑
重
邓
全
隋 兵 才
王 永 文
倪 晓 强
(
国防科技大学计算机学院
长沙
４１００７３
)
(
cxsun＠nudt．edu．cn
)
DMR
:
AnOutＧofＧOrderSu
p
erscalarGeneralＧPur
p
oseCPUCoreBasedonRISCＧV
SunCaixia
,
Zhen
g
Zhon
g
,
Den
g
Quan
,
SuiBin
g
cai
,
Wan
g
Yon
g
wen
,
andNiXiao
q
ian
g
(
Colle
g
eo
f
Com
p
uterScienceandTechnolo
gy
,
NationalUniversit
y
o
f
De
f
enseTechnolo
gy
,
Chan
g
sha
４１００７３
)
Abstract DMRisa RISCＧV based outＧofＧordersu
p
erscalar
g
eneralＧ
p
ur
p
ose CPU corefrom the
Colle
g
eofCom
p
uterScienceand Technolo
gy
,
National Universit
y
ofDefense Technolo
gy
．Three
p
rivile
g
elevels
,
userＧmode
,
su
p
ervisorＧmodeandmachineＧmode
,
areallsu
pp
orted
,
andthestandard
RISCＧV RV６４Ginstructionsetisim
p
lemented．Inaddition
,
customvectorinstructionsareextended
inDMR．Sv３９andSv４８aresu
pp
ortedforthevirtualＧmemor
y
s
y
stem
,
andthesizeof
p
h
y
sicaladdress
is４４Ｇbit．The
p
i
p
elineforsin
g
leＧc
y
cleinte
g
erinstructionsis１２Ｇsta
g
einall．Allinstructionsare
executedoutof
p
ro
g
ramorderandcommittedin
p
ro
g
ramorder．Morethanfourinstructionscanbe
issued
p
erc
y
cle．Distributedschedule
q
ueuesareusedandatmost９instructionscanbeoutＧofＧorder
scheduledforexecutionsin onec
y
cle．MultiＧla
y
er
,
multiＧ
p
latform functionalverification method
drivenb
y
functionalcovera
g
eisused
,
andLinux OSisalread
y
bootedonFPGA
p
rotot
yp
es
y
stem．
DMRreaches５．１２CoreMark∕MHzandtar
g
ets２GHzclocks
p
eedin１４nmtechnolo
gy
．
Ke
y
words RISCＧV
;
outＧofＧorder
;
su
p
erscalar
;
CPUcore
;
g
eneralＧ
p
ur
p
oseCPU
摘
要
DMR
是由国防科技 大 学 计 算 机 学 院 自 研 的 一 款 兼 容
RISCＧV
架 构 的 乱 序 超 标 量 通 用 处 理 器
核
,
支持用户态
(
userＧmode
)、
特 权 态
(
su
p
ervisorＧmode
)
和 机 器 态
(
machineＧmode
)
三 种 特 权 级 模 式
,
兼
容
RV６４G
指令集规范
,
并进行了自定义向量扩展
,
虚存系统支持
Sv３９
和
Sv４８
,
物理地址 为
４４b．DMR
的单周期整 数 流 水 线为
１２
级
,
指令乱序发射
、
顺序提交
,
指令发射宽度为
４
,
实现了多个分布式调度队
列
,
每拍最多可乱序调度
９
条指令执行
．DMR
采用 覆 盖率 驱 动的 多 层次
、
多平 台 的功 能 验证 方 法
,
已经
在
FPGA
原型系统下成功 启 动
LinuxOS
,
CoreMark
分 数 为
５．１２MHz
,
在
１４nm
工 艺 下 主 频 可 达 到
２GHz．
关键词
RISCＧV
;
乱序
;
超标量
;
处理器核
;
通用
CPU
中图法 分类号
TP３０３
DMR
是由国防科技大 学计 算 机学 院 自研 的 一
款兼 容
RISCＧV
架构 的 乱序 超 标量 通 用处 理 器核
,
主要面向高性能计算领域
．
DMR
支 持 用 户 态
(
userＧmode
)、
特 权 态
(
su
p
Ｇ
ervisorＧmode
)
和 机 器 态
(
machineＧmode
)
三 种 特 权
级模式
,
兼容
RV６４G
指令集规范
[
１
]
,
并进行了自定
义向量扩展
,
虚存系统支持
Sv３９
和
Sv４８
[
２
]
,
物理地
址为
４４b．
１
微架构
DMR
的微架构如图
１
所示
．
取指宽度为
２５６b
,
即
８
条
３２b
指令
;
译码宽度
、
寄存器重命名宽度和指
令分派宽度都是
４
;
寄存器重命名采用统一的物理寄
存器文件方式
,
如果没有足够的空闲物理寄存器
,
重
命名过程将会发生 阻 塞
;
分派 后 的指 令 根据 指 令类
型进入相应的指令 调 度队 列
,
同时 也 会进 入 重定 序
缓冲
(
reorderbuffer
,
ROB
);
采用分布式调度队列
,
根据指令类型设置 了 整数 调 度队 列
、
访存 调 度队 列
和浮点调度队列
;
调度队列中的指令就绪后
,
就会被
乱序调度执行
,
每拍最 多可以 调度
９
条指令
,
其中
３
条整数指令
、
１
条分支指令
、
２
条
load
指令
、
１
条
store
指令和
２
条浮点 指 令
;
指令 被 调度 执 行时 读 取寄 存
器文件获取源操作 数
,
源操 作 数也 可 能来 自 旁路 的
数据
;
指令提交按序进行
;
指令
Cache
和数据
Cache
均为
６４KB
,
４
路组相联
,
Cache
行大小均为
６４B．
Fi
g
．１ DMR microarchitecture
图
１ DMR
的微体系结构
２
流水线
DMR
的流水线如图
２
所示
．
单周期整数流水线
共有
１２
级
,
取指
４
拍
,
然后是
２
拍的译码
．
第
１
拍进
行预译码并处理指令 拆 分和 指 令融 合
,
第
２
拍译 码
出指令中的操作数信息
,
以供寄存器重命名时使用
;
REN
为 重 命 名 站
,
DS
为 指 令 分 派 站
,
根 据 指 令 类
型
,
将指令顺序分派到相 应的指 令调度 队列
;
ISS
为
指令 发射 站
,
发射 后 进入
RF
站
,
读取 寄 存器 文 件
,
读出 数 据 和 旁 路 数 据 进 行 选 择 后 送 到 执 行 站
EX
,
执行结果在
WB
站被写回到寄存器文件
．
Fi
g
．２ DMR
p
i
p
eline
图
２ DMR
的流水线
数据
Cache
命中时的
LoadＧtoＧuse
延时是
４
拍
;
为了实现较高主频
,
浮点 流 水线 在 读寄 存 器文 件 之
后增加了一拍
MUX
用于数据选择
．
３
分支预测
DMR
采 用
TAGE
(
ta
gg
ed
g
eometrichistor
y
len
g
th
)
[
３Ｇ４
]
算法预测 分 支方 向
,
所 实 现 的
TAGE
结
构包含
５
个组件
(
com
p
onent
),
即除了基本预测 器组
件外
,
还包含
４
个具有标记的用不同历史长度生成索
引的 预测 组 件
;
２K
项的
BTB
(
branchtar
g
etbuffer
)、
４８
项 的
RSB
(
returnstackbuffer
)
和
５１２
项 的
IPB
(
indirect
p
redictionbuffer
)
分别被用于预测不同类
型的分支的目标地址
．
１３２１
孙彩霞等
:
DMR
:
兼容
RISCＧV
架构的乱序超标量通用处理器核
of 4
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