矩阵运算加速器

概述

该目录实现了 BuckyBall 的矩阵运算加速器，用于矩阵乘法和相关运算。位于 arch/src/main/scala/prototype/matrix 下，作为矩阵计算加速器，支持多种数据格式和运算模式。

实现的核心组件：

bbfp_control.scala: 矩阵运算控制器
bbfp_pe.scala: 处理单元(PE)和MAC单元
bbfp_buffer.scala: 数据缓冲管理
bbfp_load.scala: 数据加载单元
bbfp_ex.scala: 执行单元
bbfpIns_decode.scala: 指令解码器

代码结构

matrix/
├── bbfp_control.scala   - 控制器主体
├── bbfp_pe.scala        - 处理单元实现
├── bbfp_buffer.scala    - 缓冲管理
├── bbfp_load.scala      - 加载单元
├── bbfp_ex.scala        - 执行单元
└── bbfpIns_decode.scala - 指令解码

文件依赖关系

bbfp_control.scala (控制器层)

集成各个子模块(ID, LU, EX等)
管理 SRAM 和 Accumulator 接口
处理 Ball 域命令

bbfp_pe.scala (计算核心层)

实现 MacUnit 乘累加单元
定义 PEControl 控制信号
处理有符号/无符号运算

其他模块 (功能支持层)

提供数据缓冲、加载、执行等支持功能

模块说明

bbfp_control.scala

主要功能: 矩阵运算加速器的顶层控制模块

模块集成:

class BBFP_Control extends Module {
  val BBFP_ID = Module(new BBFP_ID)
  val ID_LU = Module(new ID_LU)
  val BBFP_LoadUnit = Module(new BBFP_LoadUnit)
  val LU_EX = Module(new LU_EX)
}

接口定义:

val io = IO(new Bundle {
  val cmdReq = Flipped(Decoupled(new BallRsIssue))
  val cmdResp = Decoupled(new BallRsComplete)
  val is_matmul_ws = Input(Bool())
  val sramRead = Vec(b.sp_banks, Flipped(new SramReadIO(...)))
  val sramWrite = Vec(b.sp_banks, Flipped(new SramWriteIO(...)))
  val accRead = Vec(b.acc_banks, Flipped(new SramReadIO(...)))
  val accWrite = Vec(b.acc_banks, Flipped(new SramWriteIO(...)))
})

数据流向:

cmdReq → BBFP_ID → ID_LU → BBFP_LoadUnit → LU_EX
                              ↓
                         SRAM/ACC 接口

bbfp_pe.scala

主要功能: 实现矩阵运算的基本处理单元

MAC 单元定义:

class MacUnit extends Module {
  val io = IO(new Bundle {
    val in_a = Input(UInt(7.W))    // [6]=sign, [5]=flag, [4:0]=value
    val in_b = Input(UInt(7.W))    // [6]=sign, [5]=flag, [4:0]=value
    val in_c = Input(UInt(32.W))   // [31]=sign, [30:0]=value
    val out_d = Output(UInt(32.W)) // 输出结果
  })
}

数据格式处理:

// 提取符号位和数值
val sign_a = io.in_a(6)
val sign_b = io.in_b(6)
val flag_a = io.in_a(5)
val flag_b = io.in_b(5)
val value_a = io.in_a(4, 0)
val value_b = io.in_b(4, 0)

// 根据flag位决定是否左移
val shifted_a = Mux(flag_a === 1.U, value_a << 2, value_a)
val shifted_b = Mux(flag_b === 1.U, value_b << 2, value_b)

有符号运算:

val a_signed = Mux(sign_a === 1.U, -(shifted_a.zext), shifted_a.zext).asSInt
val b_signed = Mux(sign_b === 1.U, -(shifted_b.zext), shifted_b.zext).asSInt

控制信号:

class PEControl extends Bundle {
  val propagate = UInt(1.W)   // 传播控制
}

使用方法

数据格式

输入格式: 7位压缩格式

bit[6]: 符号位 (0=正数, 1=负数)
bit[5]: 标志位 (1=左移2位)
bit[4:0]: 5位数值

输出格式: 32位有符号数

bit[31]: 符号位
bit[30:0]: 31位数值

运算特性

MAC 运算: 乘累加操作 (Multiply-Accumulate)

支持有符号和无符号运算
可配置的位移操作
32位累加器输出

流水线结构:

ID: 指令解码阶段
LU: 加载单元阶段
EX: 执行单元阶段

注意事项

数据格式: 使用自定义的7位压缩格式减少存储开销
符号处理: 支持有符号数的正确运算和符号扩展
位移优化: 通过flag位控制数据的预处理位移
接口兼容: 与 SRAM 和 Accumulator 接口完全兼容
流水线设计: 多级流水线提高吞吐量

Keyboard shortcuts

Buckyball Technical Documentation