Godson-2 风格 4 发射乱序核（可测实现）

本仓库目标：把 AGENTS.md 里的 Godson-2 风格 OoO 规范落成一套“能跑、能测、能逐步扩展”的 RTL + testbench。优先级是 可实现 + 可验证，复杂子系统（如 ICache/DTLB/CP0/TLB）允许先用 stub 简化，以便先把乱序机制跑通。

快速开始

依赖

• verilator（推荐 5.x）+ C++ 编译器（macOS 上通常是 clang++）
• make
• 可选：gtkwave（看波形）
• 可选：iverilog（目前对 SystemVerilog 支持有限，可能编不过）

构建与运行

make clean
make sim           # 默认：Verilator

看波形

make wave

生成的波形文件默认是 godson2_tb.vcd。

核心特性（现状）

• 4-wide 前端：每拍最多 4 条取指/译码/重命名/派发（受队列 backpressure 影响会停顿）。
• CAM 重命名表 + 128 物理寄存器：消除 WAR/WAW，建立 RAW。
• 分组保留站 / 发射队列：整数 IQ +（接口预留的）浮点 IQ。
• ROQ（Reorder Queue）：乱序执行、有序提交（每拍最多提交 4 条）。
• BRQ（Branch Queue）：跟踪分支并在猜错时触发 flush/redirect 骨架。
• 旁路/Forwarding：写回总线被 IQ snoop，用于更新源操作数就绪位。

说明：当前实现聚焦机制骨架；部分“规范级”功能仍在逐步补齐（见“已知限制”）。

流水线（高层）

1. Fetch：取指（stub 的 imem 接口）
2. Pre-decode：分支识别与预测（简化）
3. Decode：译码为内部 uop
4. Rename：CAM 重命名 + freelist 分配物理寄存器
5. Dispatch：入 IQ + 入 ROQ（全组 dispatch_fire 握手）
6. Issue：每个 FU oldest-first 选择 ready 指令
7. RegRead：从物理寄存器堆读操作数（含 bypass）
8. Execute：ALU 单周期；AGU 简化为带流水的访存单元
9. Writeback：写回 PRF + 广播
10. Commit：按 ROQ 顺序提交

目录结构

├── include/
│   └── godson2_defines.sv    - 公共定义与参数
├── rtl/
│   ├── cam_map_table.sv      - CAM 重命名表 + freelist
│   ├── roq.sv                - ROQ（提交/异常/分支 brbus）
│   ├── brq.sv                - BRQ（分支跟踪/flush 掩码）
│   ├── issue_queue.sv        - IQ（分组保留站，age=oldest-first）
│   ├── physical_regfile.sv   - 物理寄存器堆（多读多写 + bypass）
│   ├── alu.sv                - ALU（ADD/SUB/AND/OR/XOR/ADDI 等）
│   ├── agu.sv                - AGU（load/store 地址与访存）
│   ├── fetch_decode.sv       - 取指 + 译码
│   └── godson2_core.sv       - 顶层 core
├── tb/
│   └── godson2_tb.sv         - 简单 testbench
├── Makefile
└── README.md

关键参数（默认值）

参数	默认值	说明
XLEN	64	数据位宽
FETCH_W	4	前端宽度
COMMIT_W	4	提交宽度
INT_PRF_SIZE	128	整数物理寄存器数量
ROQ_SIZE	64	ROQ 深度
BRQ_SIZE	16	BRQ 深度
IQ_INT_SIZE	32	整数 IQ 深度
IQ_FP_SIZE	32	浮点 IQ 深度（目前未接入完整 FPU）

指令支持（最小可测子集）

本工程不以完整 ISA 为目标。当前 rtl/fetch_decode.sv 实际能译码的最小集合是：

• 算术/逻辑：ADD, SUB, AND, OR, XOR, ADDI
• 访存：LW, LD, SW, SD
• 分支：BEQ, BNE, JAL
• 其它：未识别的编码会变成 ILLEGAL（触发异常路径骨架）

译码编码当前参考 RISC-V 风格（32-bit 指令），用于方便写 testbench；“Godson-2 风格”指的是微结构与乱序机制，而不是要求 MIPS/Loongson 指令集完整实现。

验证与可测性

• tb/godson2_tb.sv 目前是 烟雾测试：指令存储器默认返回 0x00000013（常见的 NOP 编码），跑若干拍并打印提交现象，生成 godson2_tb.vcd。
• 提交 trace 接口已在顶层暴露（trace_valid/trace_op/...），便于后续接入更严谨的参考模型对拍。

已知限制（待完善）

1. 程序加载/测试覆盖不足：目前 testbench 只返回固定指令流，尚未提供可配置的程序 ROM/汇编测试。
2. 访存与 store-commit 语义：尚未实现完整的 MemQ/LSQ；store “commit 后写内存”的语义需要后续补齐。
3. trace 信息不完整：trace_pc/trace_ldest 等字段尚未从 ROQ/commit 路径完整贯通。
4. 浮点执行单元：FPU 仍为 stub。
5. 分支预测：为简化可测，目前预测逻辑非常保守/简化。

参考

• AGENTS.md：工程级 SPEC（实现与验证的主依据）