系列文章 : [gem5] 從零開始的 gem5 學習筆記

在 Inside the Minor CPU model 這一篇的 Fetch1 stage 章節已經講述的很清楚了，這邊簡單做個中文的筆記!

fetch1 stage 是 gem5 minor CPU 的 pipeline 的第一個 stage。負責發出 instruction fetch 的請求，於是 class Fetch1 有一個 IcachePort，負責從外部抓資料進來。

class Fetch1 的 evaluate method 每一個 cycle 都會執行一次，就如同用 RTL 實作的 5 stage in-order CPU，假如沒有 bubble 或 stall 的話，每一個 cycle 都會把資料丟到往下一個 stage 傳遞的 pipeline register。
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch1.cc#L576

從 Fetch2 Stage 會傳來 branch prediction 的資訊，在 Fetch2 Stage 遇到 branch 的話，會先在 Fetch2 Stage 預測跳或不跳。

從 Execute Stage 會傳來 branch 的資訊 ( Execute Stage 會知道實際上 branch 要跳或不跳 )

從 Fetch2 Stage 跟 Execute Stage 傳來的 Branch 資訊會讓 Fetch1 Stage 改變要 fetch 的 address ( change of stream )。

當 Execute Stage 跟 Fetch2 Stage 同時傳來 Branch 資訊時，會以 Execute Stage 的資訊優先。
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch1.cc#L588-L646

每個在 Fetch1 stage 經由 IcachePort 取得的 line，會被賦予一個獨特的 lineSeqNum，方便我們可以 debug。

僅有當 Fetch1 成功在 Fetch2 input buffer 中保留一個空位的時候，才會去 IcachePort 發出一個 memory 請求。

Fetch1 有兩個 queue

• requests : https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch1.hh#L300
• transfers : https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch1.hh#L303

當 Fetch1 新增一個請求的時候，會把一個 request 壓進 requests queue 裡面，並且將這個 request 送去給 MMU，以便取得 address。
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch1.cc#L191-L200

當 Fetch1 Stage 接收到來自 MMU ( or iTLB ) 的 response，我們會把 request 從 requests queue 搬到 transfers queue，並將該 request 從 IcachePort 發出去給 memory。

當收到來自於 memory 的 reponse 之後，會將 request 的狀態改成 Complate。
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch1.cc#L432

在每一個 Cycle 都會執行的 Fetch1::evaluate 裡面，會把已經變為 Complete 的 request ( 也就是來自 memory 的 reponse ) 放進 ForwardLineData 裡面，並把這個資訊交給 f1ToF2 的 Latch，讓 Fetch2 在下一個 Cycle 可以收到這個資料。
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch1.cc#L670-L692

假如我們將 Fetch2 的 input buffer size 設為 1，表示我們不會進行 prefetching。
每個 Cycle 最多丟給 Fetch2 一個 ForwardLineData。
https://github.com/gem5/gem5/blob/develop/src/cpu/minor/BaseMinorCPU.py#L341

當一個 change of stream 發生的時候 ( 例如我們依照 Fetch2 Stage 傳來的 Branch Prediction 進行跳躍，或是依照 Execute Stage 傳來的 Branch 資訊進行跳躍 )，我們會將 transfers queue 裡面已經標示為 Complete 的 FetchRequest 丟棄。
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch1.cc#L675-L683

參考連結

• Inside the Minor CPU model
  https://pages.cs.wisc.edu/~swilson/gem5-docs/minor.html
• Minor CPU
  https://www.gem5.org/documentation/general_docs/cpu_models/minor_cpu
• A Tutorial on the Gem5 Minor CPU Model
  https://nitish2112.github.io/post/gem5-minor-cpu/