RISC-V处理器：1.取指令 RTL 代码分析

RISC-V处理器：1.取指令 RTL 代码分析

1. 取指特点

1. 指令在存储空间中所处的地址，称为它的指令PC（Program Counter）
2. 取指是指处理器将指令，按照其指令PC，从存储器中读取出来的过程
3. 处理器从存储器中取出指令的目标是：快速和连续不断
4. 指令分为普通指令，非分支跳转指令和分支跳转指令
5. 对于非分支跳转指令，即便是对于地址不对齐的32位指令，也要求能够连续不断的从一个周期内读取出来
6. 对于分支跳转指令，要能够迅速判断是否需要跳转。若果需要跳转，则从新的指令PC地址处快速取出指令。

2. 快速取指

首先应该保证存储器的读延迟越小越好：

1. 片外DDR或者Flash存储器可能需要几十个周期的延时
2. 片上的SRAM也可能需要几个周期的延时

我们采取 ITCM 和 I-Cache 的方法：

1. ITCM（Instruction Tightly Coupled Memory）
   指令紧耦合存储器，指配置一小段容量很小（即使KB）的存储器（通常为SRAM），用于存储指令，且在物理上，举例处理器核很近，并且专属于处理器核，因此能够取得很小的访问延迟。这种方式只能用来存放容量大小有限的关键程序指令；
2. I-Cache（Instruction Cache）
   指令缓存，利用软件程序的时间局部性和空间局部性，将容积量巨大的外部指令存储器空间，动态映射到容量有限的指令缓存中，将访问指令存储器的平均延迟降低到最小。但是因为缓存的容量有限，因此访问缓存存在着相当大的不确定性。

TIPS：

大多数的低功耗处理器应用场景都应用实时性较高的场景，因此更加倾向于使用延迟确定的 ITCM 。

3. 处理非对齐指令

非对齐指令：32位指令PC数值无法被4整除
因为作为存储器的 ITCM 或者 I-Cache 往往使用SRAM，而SRAM读端口的宽度是固定的。对于32位SRAM，一个时钟只能读出1个32位的数据，如果一个32位的长指令地址不对齐，则需要两个时钟周期才能取出，之后各取一部分，拼接为真正需要的32位指令。
我们要做的，就是令处理器在一个周期内取出这条指令。以普通指令非对齐和分支跳转指令讨论：

1.普通指令的非对齐

这种指令可以按顺序取指，地址连续增长，利用剩余缓存（Leftover Buffer）保存上次取指令没有用完的比特位，供下次使用。

2. 分支跳转指令的非对齐

如果跳转的目标地址和32位地址边界不对齐，并且需要取出一个32位的指令字，剩余缓存不能使用，因为剩余缓存只能在按顺序取指的情况下，才能够提前预存上次没有用完的指令字。
常见的解决方式是，采用多体化（Bank）的SRAM进行指令存储。其中，奇偶交错的方式最为常见。使用32位宽的SRAM交错进行存储。这样地址不对齐的32位地址，在一个周期内，可以同时访问两块SRAM，取出两个连续的32位指令字。各取一部分拼成真正需要的32位指令字。

4. 处理分支指令

RISC-V架构处理器的分支指令类型：

1. 无条件跳转/分支指令：
   无条件直接跳转指令：jal（jump and link）：

    jal x5，offset // 此为汇编示例，jal使用编码在指令字中的20位立即数（有
    			    // 符号）作为offset偏移量。offset x 2，之后与当前指令所在地址
    			    // 相加
   

   无条件间接跳转指令: jalr(jump and link-register) ：

    jalr x1,x6,offset // 将指令字中的12位立即数作为偏移量（offset），
                      //与另一个寄存器索引的操作数相加，得到最终的跳转目标地址
   

2. 带条件跳转/分支：
   带条件直接跳转指令
   带条件间接跳转指令

对于分支指令，处理器采用分支预测方式：
是否需要跳转，简称为预测方向。这是对带条件跳转语句来说的。
如果跳转，目标地址是什么？简称为预测地址。

5. 简单的带条件直接跳转指令

beq：两个整数操作数相同则跳转
bne：两个整数不相等则跳转
blt：第一个有符号数小于第二个有符号数，则跳转
blut：第一个无符号数小于第二个无符号数，则跳转
bge：第一个有符号数大于第二个有符号数，则跳转
bgru：第一个无符号数大于第二个无符号数，则跳转