Valid_Ready 握手

RISCV的流水线设计需要许多模块共同协作，在外部看来是流水线连续处理指令。对于流水线而言，各阶段也需要模块单独进行处理，处理完毕后交给下一级。各模块之间如何进行交流，从而得知前一级的工作已完成？设计中的valid_ready 协议通过两个信号 valid 和 ready 实现双向握手，确保数据在双方都准备好时才传输：

  • valid 表示 发送端已经准备好 发送数据，数据是有效的；
  • ready 表示 接收端已经准备好 接收数据。

只有当 valid == 1 且 ready == 1 时，数据才真正被“传输”。

握手设计

对于前后级模块，不分主从，但为了方便，将发送Ready的前一级与接受Valid的后一级规定为Master，发送Valid的前一级与接受Ready的后一级定为Slave。

对于流水线模块的状态判断，采用四模式的状态机，包含RUN、IDLE、WAIT、SAVE：

  • RUN：正常运行状态，接收指令并执行。当上游结果可用并且下游流水级可以接收本级结果，则进入此状态；
  • IDLE：空闲状态，等待新的指令输入。如果上游结果不可用或者是下游流水级忙碌，则进入此状态；
  • WAIT：等待状态，此时模块忙碌。
    • 不同流水级对本状态的实现不同，据此，我们将流水级控制状态机分为 I 型、II 型、III 型。
    • I 型被实现为等待内存读写返回结果，状态机对于此状态何时结束未知；
    • II 型被实现为等待长指令返回结果，状态机维护一个计时器来判断此状态如何结束；
    • III 型被实现为等待数据冒险结束，状态机观察本级维护的前三条指令以确认冒险何时结束。
  • SAVE：保存状态，保存当前指令信息以备后续使用。

不考虑流水线冲刷的情况下，我们可以很简单地写出状态切换的状态机：

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assign next_state = 
    (cur_state == `RUN)?
    (
        (wait_start)?`WAIT:
        (s_ready & m_valid)?`RUN:
        (!m_valid)?`IDLE:
        `SAVE
    ):
    (cur_state == `IDLE)?
    (
        (s_ready & m_valid)?`RUN:
        (m_valid)?`SAVE:
        `IDLE
    ):
    (cur_state == `WAIT)?
    (
        (!wait_finish)?`WAIT:
        (s_ready & m_valid)?`RUN:
        `IDLE
    ):
    (cur_state == `SAVE)?
    (
        (s_ready & m_valid)?`RUN:
        `IDLE
    ):
    `IDLE;

流水线冲刷