TraceSim - RISC-V Trace-based OoO Simulator

TraceSim 是一个高性能的 RISC-V 循环精确（Cycle-accurate）乱序执行（Out-of-Order）仿真器。它采用“在线追踪（Online Trace）”架构，由一个功能模型（Ref_cpu）作为指令供应器，直接向时序模型（TraceSim）提供执行流，从而避免了生成巨型 Trace 文件的 I/O 开销。

核心特性

• 极速仿真: 经过深度优化（循环 ROB、索引 IQ、Store 追踪、FU 预计算），在 Dhrystone 上可达 17.5 MIPS (提速 4.5x)。
• 指令供应器 (Instruction Supplier): 重构后的 Ref_cpu 支持单步执行并导出详细指令包（TraceInst）。
• 乱序流水线: 完整实现了包含取指、分发、发射、执行、提交的流水线逻辑。
• 资源建模:
  • ROB (Reorder Buffer): 128 条记录，基于 Circular Buffer 实现，支持 $O(1)$ 访问。
  • 分布式发射队列 (Distributed IQ): 分别为 ALU, LDU, STA, STD, BRU 设置独立队列。
  • 后端宽度: 4-wide。
  • 功能单元 (FU): ALU (4), LDU (1), STA (1), STD (1), BRU (1)。
• 存储层次模拟:
  • I-Cache/D-Cache: 独立模拟，支持配置容量、组相联度及失效惩罚。
• 先进预测与访存:
  • 可插拔分支预测: 支持 Gshare 及随机预测器。
  • 指令裂变 (Cracking): Store 指令自动裂变为 STA (地址) 和 STD (数据) 微操作。
  • 存储转发 (STLF): 支持从未提交的 Store 直接前传数据给 Load，采用高效的 Store 追踪机制。

运行模式及用法

二进制文件名为 a.out，支持以下三种运行模式：

1. 乱序仿真模式 (TRACE)

运行完整的乱序流水线仿真，适用于从头开始跑程序。

• 无 Warmup：直接进入采样阶段。
• 运行长度：通过 --max-insts 指定。

./a.out --mode trace --image ./test/dhrystone.bin --max-insts 10000000

2. 快照恢复仿真模式 (RESTORE)

从 Checkpoint 文件恢复状态并进行 OoO 仿真，专门用于 SimPoint 采样。

• 有 Warmup：默认先运行 1 亿条指令进行预热（配置见 SimConfig.h）。
• 自动退出：完成 1 亿条 Warmup 和 1 亿条 Sample 后强制自动退出。

./a.out --mode restore --restore-file ./test/ckpt.gz

3. 普通功能仿真模式 (NORMAL)

仅运行 RISC-V 指令功能核，不进入乱序时序模型。

./a.out --mode normal --image ./test/dhrystone.bin

参数说明

• --mode <normal|trace|restore>: 选择运行模式。
• --image <path>: 指定加载的裸机二进制镜像（.bin）。
• --restore-file <path>: 指定加载的 Checkpoint 文件（.gz）。
• --max-insts <N>: 设置 TRACE 模式下的最大执行指令数。

开发与文档

详细的优化细节和验证结果请参考 walkthrough.md。