保留站和重排序缓冲区 (Reservation Station & ROB)

概述

该模块实现了 BuckyBall 系统中的保留站（Reservation Station）和重排序缓冲区（ROB），用于支持乱序执行和指令调度。保留站负责管理指令的发射和完成，而 ROB 确保指令按程序顺序提交，维护处理器的精确异常语义。

二、文件结构

rs/
├── reservationStation.scala  - 保留站实现
└── rob.scala                - 重排序缓冲区实现

三、核心组件

BallReservationStation - Ball域保留站

保留站是连接指令解码器和执行单元的关键组件，负责：

主要功能：

接收来自 Ball 域解码器的指令
根据指令类型分发到不同的执行单元
管理指令的发射和完成状态
生成 RoCC 响应

支持的执行单元：

ball1: VecUnit（向量处理单元）
ball2: BBFP（浮点处理单元）
ball3: im2col（图像处理加速器）
ball4: transpose（矩阵转置加速器）

接口设计：

class BallReservationStation extends Module {
  val io = IO(new Bundle {
    // 指令输入
    val ball_decode_cmd_i = Flipped(DecoupledIO(new BallDecodeCmd))

    // RoCC 响应输出
    val rs_rocc_o = new Bundle {
      val resp = DecoupledIO(new RoCCResponseBB)
      val busy = Output(Bool())
    }

    // 执行单元接口
    val issue_o = new BallIssueInterface    // 发射接口
    val commit_i = new BallCommitInterface  // 完成接口
  })
}

指令分发逻辑：

// 根据 bid (Ball ID) 分发指令
io.issue_o.ball1.valid := rob.io.issue.valid && rob.io.issue.bits.cmd.bid === 1.U  // VecUnit
io.issue_o.ball2.valid := rob.io.issue.valid && rob.io.issue.bits.cmd.bid === 2.U  // BBFP
io.issue_o.ball3.valid := rob.io.issue.valid && rob.io.issue.bits.cmd.bid === 3.U  // im2col
io.issue_o.ball4.valid := rob.io.issue.valid && rob.io.issue.bits.cmd.bid === 4.U  // transpose

ROB - 重排序缓冲区

ROB 实现了指令的顺序管理和乱序完成支持：

设计特点：

使用 FIFO 队列维护指令顺序
使用完成状态表跟踪指令执行状态
支持乱序完成但顺序发射
提供 ROB ID 用于指令标识

核心数据结构：

class RobEntry extends Bundle {
  val cmd = new BallDecodeCmd           // 指令内容
  val rob_id = UInt(log2Up(rob_entries).W)  // ROB 标识符
}

状态管理：

val robFifo = Module(new Queue(new RobEntry, rob_entries))  // 指令队列
val robTable = Reg(Vec(rob_entries, Bool()))               // 完成状态表
val robIdCounter = RegInit(0.U(log2Up(rob_entries).W))     // ID 计数器

四、工作流程

指令分配流程

指令入队：解码器发送的指令进入 ROB
分配 ROB ID：为每条指令分配唯一的 ROB ID
状态初始化：在完成状态表中标记为未完成

when(io.alloc.fire) {
  robIdCounter := robIdCounter + 1.U
  robTable(robIdCounter) := false.B  // 标记为未完成
}

指令发射流程

头部检查：检查 ROB 头部指令是否未完成
类型分发：根据 bid 将指令发射到对应执行单元
就绪控制：只有目标执行单元就绪时才发射

val headEntry = robFifo.io.deq.bits
val headCompleted = robTable(headEntry.rob_id)
io.issue.valid := robFifo.io.deq.valid && !headCompleted

指令完成流程

完成仲裁：多个执行单元的完成信号通过仲裁器处理
状态更新：根据 ROB ID 更新完成状态表
队列出队：已完成的头部指令从 ROB 中移除

val completeArb = Module(new Arbiter(UInt(log2Up(rob_entries).W), 4))
when(io.complete.fire) {
  robTable(io.complete.bits) := true.B  // 标记为已完成
}

五、配置参数

关键配置项

rob_entries: ROB 条目数量，影响乱序执行窗口大小
执行单元数量: 当前支持 4 个 Ball 执行单元
仲裁策略: 使用轮转仲裁处理多个完成信号

性能考虑

ROB 大小: 更大的 ROB 支持更多乱序执行，但增加硬件开销
发射带宽: 当前每周期最多发射一条指令
完成带宽: 支持每周期多个指令完成

六、接口协议

BallIssueInterface - 发射接口

class BallIssueInterface extends Bundle {
  val ball1 = Decoupled(new BallRsIssue)  // VecUnit 发射
  val ball2 = Decoupled(new BallRsIssue)  // BBFP 发射
  val ball3 = Decoupled(new BallRsIssue)  // im2col 发射
  val ball4 = Decoupled(new BallRsIssue)  // transpose 发射
}

BallCommitInterface - 完成接口

class BallCommitInterface extends Bundle {
  val ball1 = Flipped(Decoupled(new BallRsComplete))  // VecUnit 完成
  val ball2 = Flipped(Decoupled(new BallRsComplete))  // BBFP 完成
  val ball3 = Flipped(Decoupled(new BallRsComplete))  // im2col 完成
  val ball4 = Flipped(Decoupled(new BallRsComplete))  // transpose 完成
}

七、使用示例

基本配置

// 在 CustomBuckyBallConfig 中配置 ROB 大小
class MyBuckyBallConfig extends CustomBuckyBallConfig {
  override val rob_entries = 16  // 16 条目 ROB
}

// 实例化保留站
val reservationStation = Module(new BallReservationStation)

连接执行单元

// 连接 VecUnit
vecUnit.io.cmd <> reservationStation.io.issue_o.ball1
reservationStation.io.commit_i.ball1 <> vecUnit.io.resp

// 连接 BBFP
bbfp.io.cmd <> reservationStation.io.issue_o.ball2
reservationStation.io.commit_i.ball2 <> bbfp.io.resp