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 Fetch2 stage 章節已經講述的很清楚了，這邊簡單做個中文的筆記!

在 Fetch2 會做兩件很重要的事情

• instruction decode
• branch prediction

這兩件事情都是蠻大的主題，值得好好花時間來研究一下。

Instruction Decode

Fetch2 會從 Latch 拿取來自 Fetch1 的資料，並填進自己的 inputBuffer 裡面。
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L244

值得一提的是，在 Fetch1 Stage，就會去 reserve Fetch2 Stage 的 InputBuffer。
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch1.cc#L657

在 Fetch2 Stage 裡，會把資料從 inputBuffer 提取出來，並將資料 decode 成一個個 instructions。這些 instructions 後續會被打包，送進 Decode stage。
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L404
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L488

Branch Prediction

Fetch2 包含了 branch prediction 的功能。這邊的 branch prediction 使用 gem5 本身已經實作好的 branch predictor ( gem5/cpu/pred/… )。
https://github.com/gem5/gem5/tree/v25.1.0.0/src/cpu/pred

當 Fetch2 遇到會進行 branch 的 instruction 的時候，都會嘗試去進行分支預測。
假如 branch predictor 嘗試對一個 instruction 進行分支預測，這個 instruction 的 MinorDynInst::triedToPredict flag 會被設定起來。
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L197-L198
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L202

當分支預設的結果是要跳的話，MinorDynInst::predictedTaken 會被設定，並且 MinorDynInst::predictedTarget 會被設定成要跳過去的 PC( program counter ) 值。
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L210
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L211

這個分支預測的結果會把 predictionSeqNum + 1。
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L225
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L230

並且會經由 Latch 送給 Fetch1，所以 Fetch1 要到下一個 Cycle 才會收到這個分支預測的結果。
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L539

當一個分支預測的結果是要跳的話， Fetch2 會把 input buffer 給拋棄掉。
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L509

並且會拒絕所有 ( (相同 streamSeqNum) && (不同 predictionSeqNum) ) 的資料。

• 假如遇到 ( (相同 streamSeqNum) && (不同 predictionSeqNum) )，表示這個資料已經過時了。明明分支預測的結果說要跳 ( predictionSeqNum + 1 )，但這個資料的 predictionSeqNum 卻還是舊的，表示這個資料需要被丟棄。
• 假如遇到 ( 不同的 streamSeqNum )，表示 Execute stage 有確定好的 Branch ( 於是 streamSeqNum + 1 )，這個資料就不能被丟棄。
• 假如遇到 ( (相同 streamSeqNum) && (相同 predictionSeqNum) )，表示這個資料是根據分支預測的結果走的，這個資料不能被丟棄。

https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L320-L322

Fetch2::havePC 代表了 Fetch2::pc 是否有效

• Fetch2::havePC == false，當前的 Fetch2::pc 無效
• Fetch2::havePC == true，當前的 Fetch2::pc 有效

當 Fetch2::pc 有效的時候，就可以將 Fetch::pc 交給 instruction
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L370
https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L413

• Fetch::havePC 原本就是 true 的話，會在 instruction decode 完之後，去更新 pc 值
  https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L458

• Fetch2::havePC 想從 false 變為 true 的話，就需要對 fetch_info.pc 直接進行設定
  https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L340

• Fetch2::havePC 會從 true 變為 false 的話，通常是當前的 inputBuffer 的資料需要被丟棄，導致當前的 Fetch2::pc 失效
  https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L261-L262
  https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L283-L284
  https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L509-L510
  https://github.com/gem5/gem5/blob/v25.1.0.0/src/cpu/minor/fetch2.cc#L509-L510

參考連結

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