RISC-V 乱序执行模拟器

1. 项目简介

本模拟器是一个高性能、周期精确（Cycle-Accurate）、IO 精确（IO-Accurate）的 RISC-V 处理器仿真平台，实现了七级流水线乱序执行（Out-of-Order Execution）微架构。

它旨在为系统软件开发、架构探索以及性能分析提供一个精确且易用的仿真环境，支持从基础指令集校验到复杂操作系统启动的全流程仿真。

核心特性

• 流水线设计：采用七级流水线结构（Decode -> Rename -> Dispatch -> Issue/RegRead -> Execute -> WriteBack -> Commit）。
• 标准支持：支持 RISC-V RV32IMASU 指令集，具备运行 Linux 的能力。
• 微架构组件：包含取指目标队列（FTQ, Fetch Target Queue）、重排序缓冲区（ROB, Reorder Buffer）和动态分支预测等关键模块。
• 性能分析：内置自顶向下微架构分析方法（TMA），可量化 Frontend Bound、Backend Bound、Bad Speculation 和 Retiring 指标。

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2. 快速开始

推荐先执行以下最小流程，确认环境可正常运行：

make
./build/simulator ./baremetal/memory

常用模式示例：

# 正常运行模式（默认）
./build/simulator path/to/binary.bin

# 快照恢复模式
./build/simulator --mode ckpt path/to/checkpoint.gz

# 混合快进模式（需指定 -f）
./build/simulator --mode fast -f 1000000 path/to/binary.bin

# 仅参考模型模式
./build/simulator --mode ref path/to/binary.bin

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3. 仿真运行模式

模拟器支持四种核心运行模式，可通过 -m 或 --mode 参数切换：

• 正常运行 (RUN): 从 0x80000000 开始执行完整的乱序流水线模拟（默认模式）。
  • 示例：./build/simulator path/to/binary.bin
• 快照恢复 (CKPT): 从指定的 .gz 快照文件恢复系统状态并继续执行。
  • 示例：./build/simulator --mode ckpt path/to/checkpoint.gz
• 混合快进 (FAST): 先使用简单的参考模型快速跳过启动阶段，再切换到乱序模拟器执行。
  • 示例：./build/simulator --mode fast -f 1000000 path/to/binary.bin
• 参考模型 (REF): 仅运行轻量级参考模型 (Ref Model)，用于功能校验。
  • 示例：./build/simulator --mode ref path/to/binary.bin

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4. 测试程序与基准测试

测试程序位于 baremetal/ 目录下，主要分为：

• 小程序测试集：位于 baremetal/test/cpu-tests，共 38 个功能测试用例。
  • 运行方式：在 baremetal/test 目录下执行 make run。
• 性能基准测试：包含 Coremark (baremetal/new_coremark) 与 Dhrystone (baremetal/new_dhrystone)。

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5. 验证展示：启动 Linux

模拟器具备运行全功能操作系统的能力，实现了对 MMU、特权级切换及中断/异常处理的完整模拟。

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6. 开发与配置说明

• 代码结构：
  • back-end/: 包含各模块的时序逻辑 (seq) 和组合逻辑 (comb)。
  • back-end/include/IO.h: 定义模块间接口。
  • diff/: 用于与参考模型进行时钟级对标。
• 配置参数：
  • 修改 include/config.h 中的日志开关（如 LOG_ENABLE）可控制调试信息输出。
  • MAX_SIM_TIME 用于配置仿真超时的周期上限。
• 详细设计文档：
  • 请参阅 doc/modules/ 目录下的各模块设计文档（如 FTQ_Design.md, TMA_Analysis.md）。