CPU 運作過程中很容易遇到需要等待的情況，
例如 Cache Miss、Data Dependency等等。

為了隱藏等待造成的延遲，
現代 CPU 可能會亂序執行，Memory 也有 Read/Write Buffer 等結構，
導致 CPU 或 I/O Device 之間觀測到的執行順序可能跟預期的不一樣。
如果在多處理器執行的時候，
會因為觀測到的指令順序不同，導致行為和預期的不符。

FENCE 就是用來確保其它 Hart (Hardware Thread) 和 I/O Device 看到的指令執行順序，
任何一個 FENCE 後的特定類型指令(successor)，
都不會比在 FENCE 前的特定類型指令(predecessor)早發生。

I-type

指令格式如下：

|31     20|19   15|14    12|11   7|6       0|
+-------------------------------------------+
|   imm   |  rs1  | funct3 |  rd  | opcode  |
+-------------------------------------------+

FENCE

rs1 和 rd 都留給未來擴充更精確的 FENCE 指令用，
如果是標準的執行環境，rs1 和 rd 都應該要是 0

|31  28|27|26|25|24|23|22|21|20|19   15|14    12|11   7|6       0|
+----------------------------------------------------------------+
| 0000 |PI|PO|PR|PW|SI|SO|SR|SW|   0   |  000   |  0   | 0001111 |
+----------------------------------------------------------------+

FENCE.TSO

針對 LOAD 和 STORE 各自做出限制的 FENCE 指令，
但是 LOAD 和 STORE 之間並沒有限制，
相較於標準的 FENCE 放寬了 R-W 之間的順序。

|31  28|27|26|25|24|23|22|21|20|19   15|14    12|11   7|6       0|
+----------------------------------------------------------------+
| 1000 |0 |0 |1 |1 |0 |0 |1 |1 |   0   |  000   |  0   | 0001111 |
+----------------------------------------------------------------+

實際程式

github 頁面 Tag: ITDay20

今天是快樂的一天，
這次實作的模擬器很單純，不會有亂序的問題。
就做一個空殼出來，然後修修 Bug 吧！

Binary Operation 的部分真的很容易犯錯，
今天又修了一個 Range Overlaping 的問題，
除了避免自己手寫，並盡量整理成可以重複使用的函式、
以及多寫測試確認之外，還要再想想有沒有更好的工作流程。

這次也為 FENCE 新增一個 get_imm_fence_fm。

//instructionDecoder.cpp
int32_t INSTRUCTION_DECODER::get_imm_b()
{
	auto value = sc_dt::sc_int<32>();
	value(12, 12) = instruction_value(31, 31);
	value(11, 11) = instruction_value(7, 7);
	value(10, 5) = instruction_value(30, 25);
	value(4, 1) = instruction_value(11, 8);
	value <<= 19;
	value >>= 19;
	return value;
}

uint32_t INSTRUCTION_DECODER::get_imm_fence_fm()
{
	return instruction_value.range(31, 28);
}

在寫 BRANCH 測試的 Binary Code 才發現有個大問題：
有兩個 switch statement 的 break 被漏掉了。

為了減少維護程式過程中出錯的可能性，
習慣只要碰到同樣的問題 3 次，就要想辦法解決它。

這兩次出錯的原因都是 Dispatch 的流程太不好閱讀了，
決定把牠們拆出來到小的 Dispatcher。

//executor.cpp
void EXECUTOR::execute()
{
	new_pc = register_file->get_pc() + 4;
	cmmand_dispatch();
	register_file->set_pc(new_pc);
}

void EXECUTOR::cmmand_dispatch()
{
	switch (instruction_decoder->get_opcode()) {
		case INSTRUCTION_DECODER_INTERFACE::IMM_OP:
			imm_dispatch();
			break;
		case INSTRUCTION_DECODER_INTERFACE::LUI_OP:
			LUI_E();
			break;
		case INSTRUCTION_DECODER_INTERFACE::AUIPC_OP:
			AUIPC_E();
			break;
		case INSTRUCTION_DECODER_INTERFACE::LOAD_OP:
			load_dispatch();
			break;
		case INSTRUCTION_DECODER_INTERFACE::STORE_OP:
			store_dispatch();
			break;
		case INSTRUCTION_DECODER_INTERFACE::JAL_OP:
			JAL_E();
			break;
		case INSTRUCTION_DECODER_INTERFACE::JALR_OP:
			jalr_dispatch();
			break;
		case INSTRUCTION_DECODER_INTERFACE::BRANCH_OP:
			branch_dispatch();
			break;
		case INSTRUCTION_DECODER_INTERFACE::MISC_MEM_OP:
			fence_dispatch();
			break;
		default:
			std::cout << "INVALID: Opcode :" << instruction_decoder->get_opcode() << std::endl;
			break;
	}
}
...

找到一個躲很久沒被發現的 hello_thread 小朋友，
幫他取一個符合身分地位的好名子。

//cpu.h
...
    void cpu_thread(void);
...

//cpu.cpp
...
void CPU::cpu_thread(void)
...

20 天的小小心得

快要變成狐猴了，
最近累到下班回家不睡一兩個小時沒辦法寫 Code，
半夜寫完 Code 又要趕快睡覺準備上班，
打從心底尊敬所有鐵人賽完賽的人。