11. R3000ユニット

r3000クラスは、R3000プロセッサをシミュレートする具体プロセッサ クラスである。プロセッサ内の5段命令パイプラインをシミュレートしている。 r3000クラスの実装のために、以下のクラスが使用されている。

11.1 r3000_word
11.2 r3000_register_fileクラス
11.3 r3000_instructionクラス
11.4 r3000_pipeline_stageクラス
11.5 r3000_instruction_bufferクラス
11.6 r3000_stallクラス
11.7 r3000_stall_bufferクラス
11.8 r3000_multiply_unitクラス
11.9 r3000_bus_interfaceクラス
11.10 r3000_directmap_cacheクラス
11.11 r3000_memory_access_unitクラス
11.12 r3000_write_bufferクラス
11.13 r3000_write_buffer_unitクラス
11.14 r3000_cp0_register_fileクラス
11.15 r3000_cp0クラス
11.16 r3000_integer_unitクラス
11.17 r3000クラス
11.18 r3000_processing_elementクラス
11.19 mips_executableクラス

11.1 r3000_word

R3000プロセッサのワード等は、typedefで定義されている。

r3000_word

R3000用のワード定義。4バイト以上の基本型が割り当てられている。

signed_r3000_word

符号付きワード。

unsigned_r3000_word

符号なしワード。

sizeof_r3000_word

size_t型の定数で、ワードのバイト数を表す。値は4である。

11.2 r3000_register_fileクラス

R3000プロセッサの32個の一般レジスタを格納するレジスタファイルのクラス。 register_file<word, c_array<32>>クラスを継承している。本来の R3000 プロセッサのレジスタ0は値が0に固定されているが、このクラスにはそ の機能はない。See section 7.7 register_fileクラス.

static string register_name(int i)

引数で示される番号のレジスタのエイリアス名を参照する。

static int register_number(const string&)

引数で示されるエイリアス名のレジスタの番号を参照する。

11.3 r3000_instructionクラス

R3000プロセッサの命令セットのそれぞれの命令を表す。

void set(address_type, data_type)

命令を設定する。第一引数に命令のアドレス、第二引数に命令のワードを与え る。命令のアドレスは分岐先のアドレスを計算する際に使用される。

void clear(void)

命令をnopにする。

r3000_word image(void) const

命令のワードを参照する。

address_type pc(void) const

命令のアドレスを参照する。

r3000_instruction::operation_type operation(void) const

命令の分類(Iタイプ、Rタイプなど)を参照する。実際の値については `r3000_instruction.h'を参照のこと。

r3000_instruction::opcode_type opcode(void) const

命令の種類(lw、addなど)を参照する。実際の値については `r3000_instruction.h'を参照のこと。

bool is_i_type(void) const

命令がIタイプであれば真を返す。

bool is_j_type(void) const

命令がJタイプであれば真を返す。

bool is_r_type(void) const

命令がRタイプであれば真を返す。

bool is_co_type(void) const

命令がコプロセッサ命令であれば真を返す。

bool is_load(void) const

命令がロード命令であれば真を返す。

bool is_store(void) const

命令がストア命令であれば真を返す。

bool is_load_or_store(void) const

命令がロード命令またはストア命令であれば真を返す。

int rs(void) const

rsフィールドを参照する。

int rt(void) const

rtフィールドを参照する。

int rd(void) const

rdフィールドを参照する。

int sa(void) const

saフィールドを参照する。

int base(void) const

baseフィールドを参照する。

data_type immediate(void) const

immediateフィールドを参照する。

signed_data_type signed_immediate(void) const

immediateフィールドを符号付きワードで参照する。

data_type target(void) const

targetフィールドを参照する。

int coprocessor_number(void) const

コプロセッサ番号を参照する。

data_type break_code(void) const

break命令のコード番号を参照する。

address_type jump_address(void) const

無条件分岐命令の分岐先アドレスを参照する。

address_type branch_address(void) const

条件分岐命令の分岐先アドレスを参照する。

string opcode_string(void) const

opcodeの文字列を得る。

string operation_string(void) const

命令の文字列を得る。

11.4 r3000_pipeline_stageクラス

R3000プロセッサ内の命令バッファの1エントリを表す。命令フェッチ、レジス タフェッチ、実行、メモリアクセス、ライトバック等の処理を行うためのイン タフェースを持つ。

void instruction_fetch(address_type, data_type)

命令フェッチを行う。第一引数に命令のアドレス、第二引数に命令のワードを 与える。命令フェッチを行うと、内部変数に入出力のフラグ、レジスタ番号な どがセットされる。

void register_fetch(const r3000_register_file&)

レジスタフェッチを行う。引数にレジスタファイルを与える。入力された命令 に示されたレジスタ番号などを用いて、与えられたレジスタファイルからレジ スタの値をフェッチする。

void forwarding(const r3000_pipeline_stage&)

レジスタ値のフォワーディングを行う。引数に転送元の命令ステージを与える。 与えられた転送元ステージの出力レジスタ番号が自分の入力レジスタ番号に等 しい場合、転送元ステージの出力レジスタ値を自分の入力レジスタ値に転送す る。

void execute(void)

命令フェッチ、レジスタフェッチ、フォワーディングの結果を元に演算を行う。 これにより命令アクセスのアドレス、出力レジスタ値、分岐先アドレスが確定 する。

void load_fetch_for_big_endian(data_type)

ロード命令のロードデータをフェッチする。引数にフェッチするワードを与え る。この命令はビッグエンディアン用である。

void load_fetch_for_little_endian(data_type)

ロード命令のロードデータをフェッチする。引数にフェッチするワードを与え る。この命令はリトルエンディアン用である。

void partial_word_store_fetch_for_big_endian(data_type)

部分ワードストア命令でマージするワードデータをフェッチする。引数にフェッ チするワードを与える。この命令はビッグエンディアン用である。

void partial_word_store_fetch_for_little_endian(data_type)

部分ワードストア命令でマージするワードデータをフェッチする。引数にフェッ チするワードを与える。この命令はリトルエンディアン用である。

void mf_fetch(data_type)

mf命令(mfhi、mflo、mfc)でロードするワード データをフェッチする。引数にフェッチするワードデータを与える。

void writeback(r3000_register_file&)

レジスタファイルに出力レジスタ値を書き込む。引数にレジスタファイルを与 える。

r3000_instruction::operation_type operation(void) const

命令の分類(Iタイプ、Rタイプなど)を参照する。実際の値については `r3000_instruction.h'を参照のこと。

r3000_instruction::opcode_type opcode(void) const

命令の種類(lw、addなど)を参照する。実際の値については r3000_instruction.hを参照のこと。

bool is_integer_input(void) const

整数演算ユニットからの入力を行う命令であれば真を返す。

bool is_integer_output(void) const

整数演算ユニットへの出力を行う命令であれば真を返す。

bool is_coprocessor_input(void) const

コプロセッサからの入力を行う命令であれば真を返す。

bool is_coprocessor_output(void) const

コプロセッサへの出力を行う命令であれば真を返す。

data_type source1(void) const

命令へフェッチした入力レジスタの値を参照する。

data_type source2(void) const

命令へフェッチした入力レジスタの値を参照する。

data_type distination(void) const

命令から出力する値を参照する。

address_type access_address(void) const

メモリアクセスのアドレスを参照する。

address_type word_aligned_access_address(void) const

メモリアクセスのワード境界のアドレスを参照する。

data_type access_data(void) const

メモリにストアするデータを参照する。

address_type distination_pc(void) const

分岐先アドレスを参照する。

bool is_load(void) const

命令がロード命令であれば真を返す。

bool is_store(void) const

命令がストア命令であれば真を返す。

bool is_load_or_store(void) const

命令がロード命令またはストア命令であれば真を返す。

data_type break_code(void) const

break命令のコードを参照する。

string opcode_string(void) const

opcodeの文字列を得る。

string operation_string(void) const

命令の文字列を得る。

11.5 r3000_instruction_bufferクラス

R3000プロセッサ内の命令バッファを表す。命令バッファクラス instruction_buffer<r3000_word, c_array<r3000_word, 5>>クラスの 派生クラスである。See section 7.6 instruction_bufferクラス.

パイプライン段数は5段で、各ステージの参照にステージ名を使用できる。ス テージ名は以下の通りである。

if_stage()

命令フェッチステージ(stage 0)

rd_stage()

レジスタフェッチ&デコードステージ(stage 1)

ex_stage()

実行ステージ(stage 2)

mm_stage()

メモリアクセスステージ(stage 3)

wb_stage()

ライトバックステージ(stage 4)

11.6 r3000_stallクラス

R3000のストールを表すクラス。

r3000_stall::stall_type type(void) const

ストールの種別を参照する。実際の値については`r3000_stall.h'を参照 のこと。

void set(r3000_stall::stall_type)

ストールの値を設定する。

11.7 r3000_stall_bufferクラス

R3000プロセッサ内での未解決のストールの管理を行うバッファ。ストールの 追加、削除、変更等を行う。入力されたストールはfetch関数によって 優先度順に整列され、内部キューに格納される。格納されているストールの処 理はr3000_integer_unitクラスによって行われる。このクラスは現在 のストールが何であるかという情報だけを管理し、実際のストール解決処理は 行わない。

r3000_stall::stall_type type(void) const

現在処理中のストールの種別を参照する。ストール種別のそれぞれの値につい ては`r3000_stall.h'を参照のこと。

bool is_run_cycle(void) const

プロセッサが実行サイクルにあれば真を返す。ストールバッファの内部キュー にストールが格納されていなければ、プロセッサは実行サイクルにある。既に 入力されたストールがあっても、fetch関数が呼ばれてストールが内部 キューに格納されるまではプロセッサは実行サイクルにある。

bool is_stall_cycle(void) const

プロセッサがストールサイクルにあれば真を返す。

bool is_internal_stall_cycle(void) const

プロセッサがプロセッサ内部に起因するストールサイクルにあれば真を返す。

bool is_external_stall_cycle(void) const

プロセッサがプロセッサ外部に起因するストールサイクルにあれば真を返す。

bool is_buffered(void) const

内部キューに取り込まれていないストール数を参照する。

bool have_next_stall(void) const

現在ストールサイクルにあり、かつ別の未解決のストールがストールバッファ 中に存在すれば真を返す。

void push(r3000_stall::stall_type)

未解決のストールを追加する。追加されたストールはfetch関数によっ て内部キューに格納される。

void pop(void)

キューの先頭のストールを削除する。現在のストール処理が終了した時に用い る。

void streaming_to_instruction_cache_miss_refill(void)

ストリーミングから命令キャッシュミスリフィルサイクルに遷移する。ストリー ミング中に別のストールが発生した場合に使用される。

void change(r3000_stall::stall_type)

先頭のストールを引数で与えられたストールに入れ換える。この関数はキャッ シュミスストールからキャッシュリフィルストールへの遷移などに用いられる。

void fetch(void)

入力されたストールを優先度順に整列させ、内部キューに格納する。

void clear(void)

内部キューを空にする。

11.8 r3000_multiply_unitクラス

R3000プロセッサ内の整数乗算器を表すクラス。HIレジスタ、 LO レジスタを持ち、mult、multu、div、 divu命令の処理を行う。演算開始時に演算器の内部変数に演算時間が 設定され、演算が終了するまでレジスタがロックされる。

data_type hi(void) const

HIレジスタを参照する。

data_type lo(void) const

LOレジスタを参照する。

void mult(data_type, data_type)

mult命令を実行する。引数は命令に与えるレジスタの値である。

void multu(data_type, data_type)

multu命令を実行する。引数は命令に与えるレジスタの値である。

void div(data_type, data_type)

div命令を実行する。引数は命令に与えるレジスタの値である。

void divu(data_type, data_type)

divu命令を実行する。引数は命令に与えるレジスタの値である。

void clock(void)

クロックを入力する。

void clear(void)

状態を初期化する。

unsigned int mult_wait(void)

mult命令、multu命令に要する時間のクロック数を返す。

unsigned int div_wait(void)

div命令、divu命令に要する時間のクロック数を返す。

void set_mult_wait(unsigned int)

mult命令、multu命令に要する時間のクロック数を設定する。

void set_div_wait(unsigned int)

div命令、divu命令に要する時間のクロック数を設定する。

11.9 r3000_bus_interfaceクラス

R3000のバスアクセスのインタフェースを提供するクラス。 bus_port<word_type, word_type>の派生クラスである。 See section 6.3 bus_portクラス.

11.10 r3000_directmap_cacheクラス

R3000に接続される1次キャッシュを表すクラス。directmap_cache<word, word>クラスの派生クラスである。See section 7.4 directmap_cacheクラス.

11.11 r3000_memory_access_unitクラス

R3000のメモリアクセス処理、キャッシュアクセス処理を行うユニット。整数 演算器からのメモリアクセス要求を受け、それに応じてバスインタフェースを 通じてバスにアクセスし、必要があればキャッシュに値を書き込む。クロック 入力を受けて状態遷移する。

11.11.1 r3000_memory_access_unitクラスの定義
11.11.2 r3000_memory_access_unitクラスの使い方

11.11.1 r3000_memory_access_unitクラスの定義

void clock_in(void)

クロック入力を行う。このサイクルではバスからプロセッサへの入力のみが行 われる。

void clock_out(void)

クロック出力を行う。このサイクルではプロセッサからバスへの出力のみが行 われる。

void reset(void)

状態を初期化する。

bool is_connected_to_instruction_cache(void) const

命令キャッシュが接続されていれば真を返す。

bool is_connected_to_data_cache(void) const

データキャッシュが接続されていれば真を返す。

void connect_instruction_cache(r3000_directmap_cache&)

命令キャッシュを接続する。

void connect_data_cache(r3000_directmap_cache&)

データキャッシュを接続する。

void disconnect_instruction_cache(void)

命令キャッシュを切り離す。

void disconnect_data_cache(void)

データキャッシュを切り離す。

address_type instruction_read_address(void) const

実行された命令リードのアドレスを返す。

data_type instruction_read_data(void) const

実行された命令リードのデータを返す。

address_type data_read_address(void) const

実行されたデータリードのアドレスを返す。

data_type data_read_data(void) const

実行されたデータリードのデータを返す。

address_type data_write_address(void) const

実行されたデータライトのアドレスを返す。

data_type data_read_data(void) const

実行されたデータライトのデータを返す。

bool instruction_read_is_requested(void) const

命令リード要求が処理されていなければ真を返す。

bool instruction_read_is_ready(void) const

命令リードアクセスが可能な状態であれば真を返す。

bool instruction_read_is_wait(void) const

命令リードアクセスが応答待ち状態であれば真を返す。

bool instruction_read_is_ack(void) const

命令リードアクセスが応答状態であれば真を返す。

bool instruction_read_is_trans(void) const

命令リードアクセスが転送状態であれば真を返す。

bool instruction_read_is_trans_last(void) const

命令リードアクセスが最終転送状態であれば真を返す。

bool data_read_is_requested(void) const

データリード要求が処理されていなければ真を返す。

bool data_read_is_ready(void) const

データリードアクセスが可能な状態であれば真を返す。

bool data_read_is_wait(void) const

データリードアクセスが応答待ち状態であれば真を返す。

bool data_read_is_ack(void) const

データリードアクセスが応答状態であれば真を返す。

bool data_read_is_trans(void) const

データリードアクセスが転送状態であれば真を返す。

bool data_read_is_trans_last(void) const

データリードアクセスが最終転送状態であれば真を返す。

bool data_write_is_requested(void) const

データライト要求が処理されていなければ真を返す。

bool data_write_is_ready(void) const

データライトアクセスが可能な状態であれば真を返す。

bool data_write_is_wait(void) const

データライトアクセスが応答待ち状態であれば真を返す。

bool data_write_is_ack(void) const

データライトアクセスが応答状態であれば真を返す。

bool data_write_is_trans(void) const

データライトアクセスが転送状態であれば真を返す。

bool data_write_is_trans_last(void) const

データライトアクセスが最終転送状態であれば真を返す。

void send_single_instruction_read_request(address_type)

単一命令リードを要求する。引数は命令のアドレスである。

void send_multi_instruction_read_request(address_type)

複数命令リードを要求する。引数は命令のアドレスである。複数命令リードの 転送ワード数は接続された命令キャッシュのラインサイズから求められる。

void send_single_data_read_request(address_type)

単一データリードを要求する。引数はデータのアドレスである。

void send_multi_data_read_request(address_type)

複数データリードを要求する。引数はデータのアドレスである。複数データリー ドの転送ワード数は接続されたデータキャッシュのラインサイズから求められ る。

void send_data_write_request(address_type, data_type)

データライトを要求する。第一引数はデータのアドレス、第二引数はデータの 値である。

bool is_instruction_reading(void) const

命令リード中であれば真を返す。

bool is_data_reading(void) const

データリード中であれば真を返す。

bool is_reading(void) const

リード中であれば真を返す。

bool is_writing(void) const

ライト中であれば真を返す。

bool have_read_request(void) const

リードアクセス中、あるいはリード要求を格納していれば真を返す。

bool is_cacheable(address_type) const

引数で与えられたアドレスがキャッシュ可能なアドレスであれば真を返す。

bool is_cacheable_instruction(address_type) const

命令キャッシュが接続されていて、引数で与えられたアドレスがキャッシュ可 能なアドレスであれば真を返す。

bool is_cacheable_data(address_type) const

データキャッシュが接続されていて、引数で与えられたアドレスがキャッシュ 可能なアドレスであれば真を返す。

bool is_instruction_cache_hit(address_type) const

引数で示される命令が命令キャッシュにヒットすれば真を返す。

bool is_data_cache_hit(address_type) const

引数で示されるデータがデータキャッシュにヒットすれば真を返す。

data_type instruction_cache_read(address_type) const

引数で示される命令を命令キャッシュから読み込む。

data_type data_cache_read(address_type) const

引数で示されるデータをデータキャッシュから読み込む。

void data_cache_write(address_type, data_type) const

データキャッシュに値を書き込む。第一引数にアドレス、第二引数にデータを 取る。

11.11.2 r3000_memory_access_unitクラスの使い方

r3000クラスのメモリアクセスは、単一命令リード、複数命令リード、 単一データリード、複数データリード、単一データライトの5種類である。複 数ワードアクセスはキャッシュが使用可能な場合にのみ行われ、転送ワード数 はキャッシュラインサイズに等しい。

以下、データに関するアクセスについてのアクセス方法を示す。命令アクセス についてもアクセス方法は同一である。

• 単一データリード
  1. is_cacheable_data関数でキャッシュ不可能なデータであることを確認 する。

  2. send_single_data_read_request関数で単一データリード要求を発行す る。これにより、バスが空き次第メモリアクセスが発行される。

  3. data_read_is_ack関数が真になったら、次のクロックでデータが転送 されるので、データ受信の準備を行う。

  4. 次のクロックでdata_read_data関数を用いてデータを受け取る。

• 複数データリード
  1. is_cacheable_data関数でキャッシュ可能なデータであることを確認す る。

  2. send_multi_data_read_request関数で複数データリード要求を発行す る。これにより、バスが空き次第メモリアクセスが発行される。アクセスに使 用されるアドレスは、引数に与えられたアドレスをキャッシュライン境界に補 整したものである。また、転送ワード数はキャッシュラインサイズである。

  3. data_read_is_ack関数が真になったら、次のクロックからデータ転送 が開始される。

  4. 次のクロックからデータが転送され、データキャッシュに書き込まれる。現在 転送中であるアドレスとデータはdata_read_address、 data_read_data関数で参照できる。

  5. data_read_is_trans_last関数が真を返すと、データ転送がそのクロッ クで終了したことを示している。

• 単一データライト
  1. send_data_write_request関数で単一データライト要求を発行する。こ れにより、バスが空き次第メモリアクセスが発行される。また、データがキャッ シュ可能で、かつキャッシュ内にそのアドレスのデータが格納されている場合、 要求を発行した時点で自動的にデータキャッシュに書き込まれる。

  2. data_write_is_trans関数が真を返すと、データライトがそのクロック で終了したことを示している。

11.12 r3000_write_bufferクラス

R3000のライトバッファを表すクラス。write_bufferクラスの派生クラ スである。バッファサイズの初期値は4である。See section 7.8 write_bufferクラス.

11.13 r3000_write_buffer_unitクラス

R3000のライトバッファを操作するユニット。 r3000_memory_access_unit クラスのオブジェクトに接続した状態で使 用され、書き込み要求を自動的にメモリアクセスユニットに送信する。

void push(address_type, data_type)

書き込み要求を送る。第一引数でアドレス、第二引数でデータを指定する。

bool is_full(void) const

ライトバッファが埋まっていれば真を返す。

bool is_empty(void) const

ライトバッファが空であれば真を返す。

bool is_ready(void) const

ライトアクセス中でなければ真を返す。

bool is_busy(void) const

ライトアクセス中であれば真を返す。

bool is_buffered(address_type) const

引数で示されるアドレスへの書き込みがあれば真を返す。

data_type read(address_type) const

引数で示されるアドレスへ書き込む値を参照する。

11.14 r3000_cp0_register_fileクラス

R3000のCp0コプロセッサの32個のレジスタを格納するレジスタファイルのクラ ス。register_file<r3000_word, c_array<r3000_word, 32>>クラスを 継承している。See section 7.7 register_fileクラス.

static string register_name(int i)

引数で示される番号のレジスタのエイリアス名を参照する。

static int register_number(const string&)

引数で示されるエイリアス名のレジスタの番号を参照する。

11.15 r3000_cp0クラス

11.16 r3000_integer_unitクラス

R3000内の整数演算器を表す。命令バッファ、レジスタファイル、乗算器、ス トールバッファ、プログラムカウンタを内部に格納し、プロセッサ内の整数演 算全般を取り扱う。メモリアクセスユニット、ライトバッファ、コプロセッサ、 キャッシュは外部から接続する。処理の大半は命令バッファなどの各クラスに よって行われるため、このクラスではそれらの処理の仲介、データの受渡しな どを行う。

状態遷移はclock関数によって行う。この関数は、r3000クラス の外部からのデータ入力と外部へのデータ出力の中間で呼び出されるよう設計 されている。

11.16.1 r3000_integer_unitクラスの定義
11.16.2 r3000_integer_unitクラスのクロック関数

11.16.1 r3000_integer_unitクラスの定義

data_type register_file(size_t i) const

引数で示されるレジスタ番号のレジスタを参照する。

address_type pc(void) const

プログラムカウンタを参照する。

data_type hi(void) const

HIレジスタを参照する。

data_type lo(void) const

LOレジスタを参照する。

bool is_run_cycle(void) const

実行サイクルであれば真を返す。

bool is_stall_cycle(void) const

ストールサイクルであれば真を返す。

bool is_internal_stall_cycle(void) const

プロセッサがプロセッサ内部に起因するストールサイクルにあれば真を返す。

bool is_external_stall_cycle(void) const

プロセッサがプロセッサ外部に起因するストールサイクルにあれば真を返す。

bool is_streaming(void) const

ストリーミング中であれば真を返す。

void clock(void)

クロック入力を行う。

11.16.2 r3000_integer_unitクラスのクロック関数

• 実行サイクルでの処理
  1. ライトバックステージの実行

     命令バッファのライトバックステージに、レジスタファイルへの書き戻しを指 示する。

  2. メモリアクセスステージの実行

     命令バッファのメモリアクセスステージの命令を判別し、ロード命令、ストア 命令を処理する。コプロセッサが接続されている場合は、コプロセッサ転送命 令も処理する。

     • キャッシュ可能なデータに対するロード命令であれば、ライトバッファ中に未 処理のデータが存在するかどうかチェックする。存在している場合、次のサイ クルからDATA_FETCH_BUSY_STALL_WFLUSHへ遷移するようストールバッ ファに指示する。存在しない場合、続いてキャッシュをチェックする。すでに キャッシュ内に存在するデータである場合、メモリアクセスステージにキャッ シュからデータを渡す。コプロセッサロード命令の場合は、さらにコプロセッ サへデータを渡す。コプロセッサがデータを受け取れない状態であれば、次の サイクルからCOPROCESSOR_FETCH_BUSY_STALLへ遷移するようストール バッファに指示する。データがキャッシュ中に存在しない場合、メモリアクセ スユニットにキャッシュラインへの複数ワードロードを依頼し、次のサイクル からDATA_CACHE_MISS_STALLへ遷移するようストールバッファに指示す る。

     • キャッシュ不可能なデータに対するロード命令であれば、ライトバッファ中に 未処理のデータが存在するかどうかチェックする。存在している場合、次のサ イクルからUNCACHEABLE_DATA_STALL_WFLUSHへ遷移するようストールバッ ファに指示する。存在しない場合、メモリアクセスユニットに単一ワードロー ドを依頼し、次のサイクルからUNCACHEABLE_DATA_STALLへ遷移するよ うストールバッファに指示する。

     • SW命令であれば、ライトバッファをチェックし、空きがあればライト バッファに書き込むアドレスとデータを送る。空きがない場合、次のサイクル からWRITE_BUSY_STALLへ遷移するようストールバッファに指示する。

     • キャッシュ可能なデータに対する部分ワードストア命令であれば、、データが データキャッシュもしくはライトバッファ中に存在するかどうかチェックする。 存在している場合、メモリアクセスステージにキャッシュまたはライトバッファ からデータを渡し、次のサイクルでPARTIAL_WORD_STORES_FIXUPへ遷移 するようストールバッファに指示する。データがキャッシュまたはライトバッ ファ中に存在しない場合、データがキャッシュまたはライトバッファ中に存在 しない場合、メモリアクセスユニットにキャッシュラインへの複数ワードロー ドを依頼し、次のサイクルからDATA_CACHE_MISS_STALLへ遷移するよう ストールバッファに指示する。

     • キャッシュ不可能なデータに対する部分ワードストア命令であれば、データが ライトバッファに存在するかどうかチェックする。存在している場合、メモリ アクセスステージにライトバッファからデータを渡し、次のサイクルで PARTIAL_WORD_STORES_FIXUPへ遷移するようストールバッファに指示す る。データがライトバッファ中に存在しない場合、メモリアクセスユニットに 単一ワードロードを依頼し、次のサイクルから UNCACHEABLE_DATA_STALLへ遷移するようストールバッファに指示する。

     • SWC命令であれば、コプロセッサの状態をチェックする。コプロセッサ がデータを出力可能であれば、ライトバッファをチェックし、空きがあればラ イトバッファに書き込むアドレスとデータを送る。空きがない場合、次のサイ クルからWRITE_BUSY_STALLへ遷移するようストールバッファに指示す る。コプロセッサがデータを出力できないならば、次のサイクルから COPROCESSOR_OUTPUT_BUSY_STALLへ遷移するようストールバッファに指 示する。

     • MFCまたはCFC命令であれば、コプロセッサの状態をチェックす る。コプロセッサがデータを出力可能であれば、データを受け取って命令バッ ファのメモリアクセスステージへ渡す。コプロセッサがデータを出力できない ならば、次のサイクルからCOPROCESSOR_OUTPUT_BUSY_STALLへ遷移する ようストールバッファに指示する。

     • MTCまたはCTC命令であれば、コプロセッサの状態をチェックす る。コプロセッサがデータを受け取り可能であれば、命令バッファのメモリア クセスステージのデータをコプロセッサへ渡す。コプロセッサがデータを受け 取れない状態であれば、次のサイクルから COPROCESSOR_FETCH_BUSY_STALLへ遷移するようストールバッファに指 示する。

  3. 実行ステージの実行

     まず初めに、処理する命令がコプロセッサ分岐命令かどうかを調べる。コプロ セッサ分岐命令であった場合は、コプロセッサのfpcondを調べ、実行 ステージに渡しておく(1)。

     続いて命令バッファの実行ステージに実行を行わせ、その命令を判別し、分岐 命令、整数乗除算命令、MFHI、MFLO、MTHI、 MTLO命令を処理する。

     • 分岐命令であれば、分岐先アドレスをプログラムカウンタに代入する。

     • 乗除算命令であれば、整数乗算器ユニットに命令バッファ内のソースレジスタ 値を渡す。

     • MFHI、MFLO命令であれば、乗算器がbusy状態でなければ、レジ スタ値を実行ステージに送り、実行ステージからレジスタフェッチステージへ のフォワーディングを行う。乗算器がbusy状態であれば、次のサイクルから MULTIPLY_UNIT_BUSY_STALLへ遷移するようストールバッファに指示す る。

     • MTHI、MTLO命令であれば、乗算器に実行ステージ内のソースレ ジスタ値を渡す。

  4. レジスタフェッチステージの実行

     命令バッファのレジスタフェッチステージにレジスタフェッチを行わせ、さら にメモリアクセスステージからのフォワーディング、実行ステージからのフォ ワーディングを行う。

     コプロセッサに接続されている場合は、コプロセッサが命令を受け取り可能な 状態かどうか調べる。コプロセッサが命令を受け取り可能であった場合、コプ ロセッサにレジスタフェッチステージ内の命令ワードを渡す。コプロセッサが 命令を受け取り不能であった場合、次のサイクルから COPROCESSOR_IFETCH_BUSY_STALLへ遷移するようストールバッファに指 示する。

  5. 命令フェッチステージの実行

     命令バッファの命令フェッチステージに命令をフェッチする。

     • キャッシュ可能な命令であれば、命令が命令キャッシュ中に存在するかどうか チェックする。存在している場合、命令フェッチステージに命令キャッシュか ら命令を渡す。命令がキャッシュ中に存在しない場合、メモリアクセスユニッ トにキャッシュラインへの複数ワードロードを依頼し、次のサイクルから INSTRUCTION_CACHE_MISS_STALLへ遷移するようストールバッファに指 示する。

     • キャッシュ不可能な命令であれば、メモリアクセスユニットに単一ワードロー ドを依頼し、次のサイクルからUNCACHEABLE_INSTRUCTION_STALLへ遷移 するようストールバッファに指示する。

  6. ストールのフェッチ

     ストールバッファにストールのフェッチを依頼する。これにより、各命令ステー ジの実行で発生したストールが優先度順にストールバッファの内部キューに整 列され、次のサイクルでの動作が決定される。

  7. 命令パイプラインの更新

     次のサイクルが実行サイクル、もしくはストリーミングサイクルであれば、プ ログラムカウンタの値を4進め、命令バッファのステージを1進める。

• ストリーミングサイクルでの処理

  ストリーミングは、分岐とストールが発生しない限り継続される。

  1. プログラムカウンタの保存

     現在のプログラムカウンタ値を一次変数に保存しておく。

  2. ライトバック、メモリアクセス、実行、レジスタフェッチステージの実行

     命令フェッチ以外のステージの実行を行う。この処理は通常の実行サイクルと 全く同じ処理が行われる。

  3. 命令フェッチステージの実行

     プログラムカウンタ値、ストールバッファに格納されたストールの有無をチェッ クし、状態に応じて命令フェッチ処理、ストールへの遷移を行う。

     • 分岐が発生していた場合

       ストリーミングを終了する。メモリアクセスユニットの命令リフィルが最後の 命令でなければ、ストールバッファの内部キューの先頭に強制的に INSTRUCTION_CACHE_MISS_REFILLを挿入する。その後、通常の命令フェッ チ、ストールバッファのフェッチを行う。

     • ストールが発生していた場合

       ストリーミングを終了する。メモリアクセスユニットの命令リフィルが最後の 命令でなければ、ストールバッファの内部キューの先頭に強制的に INSTRUCTION_CACHE_MISS_REFILLを挿入する。命令リフィルが最後の命 令であれば、命令バッファの命令フェッチステージに命令を渡す。その後、ス トールバッファのフェッチを行う。

     • 分岐、もしくはストールが発生していなかった場合

       メモリアクセスユニットの命令リフィルが最後の命令でなければ、ストリーミ ングを終了する。その後、命令バッファの命令フェッチステージに命令を渡し、 ストールバッファのフェッチを行う。

  4. ストールサイクルでの処理

     現在処理中のストールに応じた処理を行う。

     INSTRUCTION_CACHE_MISS_STALL

     メモリアクセスユニットの命令リードアクセスが応答状態以降であれば、次の サイクルでINSTRUCTION_CACHE_MISS_REFILLに遷移する。

     INSTRUCTION_CACHE_MISS_REFILL

     メモリアクセスユニットの命令リードアクセスが最終転送状態以降であれば、 次のサイクルでINSTRUCTION_CACHE_MISS_FIXUPに遷移する。転送して いるアドレスがプログラムカウンタ値に等しく、ストールバッファ中に他のス トールが格納されていなければ、次のサイクルで INSTRUCTION_CACHE_MISS_FIXUP_TO_STREAMINGに遷移する。

     INSTRUCTION_CACHE_MISS_FIXUP

     メモリアクセスユニットを通じて命令キャッシュから命令を読みだし、命令バッ ファの命令フェッチステージに渡す。ストールバッファの先頭のストールを削 除する。

     INSTRUCTION_CACHE_MISS_FIXUP_TO_STREAMING

     メモリアクセスユニットを通じて命令キャッシュから命令を読みだし、命令バッ ファの命令フェッチステージに渡す。ストールバッファの先頭のストールを削 除する。メモリアクセスユニットの命令リードが最終転送状態、もしくは ready状態でなければ、次のサイクルをストリーミングサイクルにする。

     UNCACHEABLE_INSTRUCTION_STALL

     メモリアクセスユニットの命令リードが応答状態以降であれば、次のサイクル でUNCACHEABLE_INSTRUCTION_FIXUPに遷移する。

     UNCACHEABLE_INSTRUCTION_FIXUP

     メモリアクセスユニットから命令を読み出し、命令バッファの命令フェッチス テージに渡す。ストールバッファの先頭のストールを削除する。

     DATA_CACHE_MISS_STALL_WFLUSH

     ライトバッファ内のデータがすべて処理されていれば、キャッシュをチェック する。すでに要求されたリードデータがキャッシュ内に存在するデータである 場合、メモリアクセスステージにキャッシュからデータを渡す。コプロセッサ ロード命令の場合は、さらにコプロセッサへデータを渡す。コプロセッサがデー タを受け取れない状態であれば、次のサイクルから COPROCESSOR_FETCH_BUSY_STALLへ遷移するようストールバッファに指 示する。コプロセッサロード命令でない場合は、ストールバッファの先頭のス トールを削除する。データがキャッシュ中に存在しない場合、メモリアクセス ユニットにキャッシュラインへの複数ワードロードを依頼し、次のサイクルか らDATA_CACHE_MISS_STALLへ遷移するようストールバッファに指示する。

     DATA_CACHE_MISS_STALL

     メモリアクセスユニットのデータリードアクセスが応答状態以降であれば、次 のサイクルでDATA_CACHE_MISS_REFILLに遷移する。

     DATA_CACHE_MISS_REFILL

     メモリアクセスユニットのデータリードアクセスが最終転送状態以降であれば、 次のサイクルでDATA_CACHE_MISS_FIXUPに遷移する。

     DATA_CACHE_MISS_FIXUP

     メモリアクセスユニットを通じてデータキャッシュからデータを読みだし、命 令バッファのメモリアクセスステージに渡す。

     メモリアクセスステージがコプロセッサロード命令の場合、メモリアクセスス テージにデータを渡す。メモリアクセスステージからレジスタフェッチステー ジへのフォワーディングを行い、次にストールバッファの先頭のストールを削 除する。さらにコプロセッサがデータを受け取り可能かどうかを調べ、受け取 り可能であればデータを渡す。受け取り不能であれば、次のサイクルから COPROCESSOR_FETCH_BUSY_STALLへ遷移するようストールバッファに指 示する。

     メモリアクセスステージがロード命令の場合、メモリアクセスステージにデー タを渡す。そして、メモリアクセスステージからレジスタフェッチステージへ のフォワーディングを行う。最後にストールバッファの先頭のストールを削除 する。

     メモリアクセスステージが部分ワードストア命令の場合、メモリアクセスステー ジにデータを渡す。次のサイクルでPARTIAL_WORD_STORES_FIXUPに遷移 する。

     UNCACHEABLE_DATA_STALL_WFLUSH

     ライトバッファ内のデータがすべて処理されていれば、メモリアクセスユニッ トに単一ワードロードを依頼し、次のサイクルから UNCACHEABLE_DATA_STALLへ遷移するようストールバッファに指示する。

     UNCACHEABLE_DATA_STALL

     メモリアクセスユニットのデータリードアクセスが応答状態以降であれば、次 のサイクルでUNCACHEABLE_DATA_FIXUPに遷移する。

     UNCACHEABLE_DATA_FIXUP

     メモリアクセスユニットからデータを読みだし、命令バッファのメモリアクセ スステージに渡す。

     メモリアクセスステージがコプロセッサロード命令の場合、メモリアクセスス テージにデータを渡す。メモリアクセスステージからレジスタフェッチステー ジへのフォワーディングを行い、次にストールバッファの先頭のストールを削 除する。さらにコプロセッサがデータを受け取り可能かどうかを調べ、受け取 り可能であればデータを渡す。受け取り不能であれば、次のサイクルから COPROCESSOR_FETCH_BUSY_STALLへ遷移するようストールバッファに指 示する。

     メモリアクセスステージがロード命令の場合、メモリアクセスステージにデー タを渡す。そして、メモリアクセスステージからレジスタフェッチステージへ のフォワーディングを行う。最後にストールバッファの先頭のストールを削除 する。

     メモリアクセスステージが部分ワードストア命令の場合、メモリアクセスステー ジにデータを渡す。次のサイクルでPARTIAL_WORD_STORES_FIXUPに遷移 する。

     EXECUTE_PARTIAL_WORD_STORES_FIXUP

     ライトバッファをチェックし、空きがあればライトバッファに書き込むアドレ スとデータを送る。空きがない場合、次のサイクルから WRITE_BUSY_STALL へ遷移するようストールバッファに指示する。空き がある場合は、ストールバッファの先頭のストールを削除する。

     WRITE_BUSY_STALL

     ライトバッファユニットに空きがあれば、次のサイクルで WRITE_BUSY_FIXUPに遷移する。

     WRITE_BUSY_FIXUP

     命令バッファのメモリアクセスステージからストアするアドレス、データを取 り出し、ライトバッファに送る。最後にストールバッファの先頭のストールを 削除する。

     MULTIPLY_UNIT_BUSY_STALL

     乗算器からデータを取り出し可能であれば、次のサイクルで MULTIPLY_UNIT_BUSY_FIXUPに遷移する。

     MULTIPLY_UNIT_BUSY_FIXUP

     実行ステージがMFHI、MFLO命令であれば、レジスタ値を実行ス テージに送り、実行ステージからレジスタフェッチステージへのフォワーディ ングを行う。最後にストールバッファの先頭のストールを削除する。

     COPROCESSOR_IFETCH_BUSY_STALL

     コプロセッサが命令を受け取り可能であれば、次のサイクルで COPROCESSOR_IFETCH_BUSY_FIXUPに遷移する。

     COPROCESSOR_IFETCH_BUSY_FIXUP

     命令バッファのレジスタフェッチステージからコプロセッサに命令を渡し、ス トールバッファの先頭のストールを削除する。

     COPROCESSOR_FETCH_BUSY_STALL

     コプロセッサがデータを受け取り可能であれば、次のサイクルで COPROCESSOR_FETCH_BUSY_FIXUPに遷移する。

     COPROCESSOR_FETCH_BUSY_FIXUP

     命令バッファのメモリアクセスステージからコプロセッサにデータを渡し、ス トールバッファの先頭のストールを削除する。

     COPROCESSOR_OUTPUT_BUSY_STALL

     コプロセッサがデータを出力可能であれば、次のサイクルで COPROCESSOR_OUTPUT_BUSY_FIXUPに遷移する。

     COPROCESSOR_OUTPUT_BUSY_FIXUP

     命令バッファのメモリアクセスステージの命令がコプロセッサストア命令であ れば、コプロセッサからデータを取り出し、命令バッファのメモリアクセスス テージへ渡す。ライトバッファをチェックして、空きがあればライトバッファ に書き込むアドレスとデータを送り、ストールバッファの先頭のストールを削 除する。空きがない場合、次のサイクルからWRITE_BUSY_STALLへ遷移 するようストールバッファに指示する。

     命令バッファのメモリアクセスステージの命令がその他のコプロセッサ命令で あれば、コプロセッサからデータを取り出し、命令バッファのメモリアクセス ステージへ渡す。最後にストールバッファの先頭のストールを削除する。

11.17 r3000クラス

R3000プロセッサを表すクラスである。内部にr3000_bus_interfaceク ラス、r3000_memory_access_unitクラス、 r3000_write_buffer_unitクラス、r3000_integer_unitクラス、 r3000_cp0のオブジェクトを持つ。

プロセッサの実体は、メモリアクセス部はr3000_bus_interfaceクラス、 r3000_memory_access_unitクラス、r3000_write_buffer_unit クラスによって実装されている。また、演算部分は r3000_integer_unitクラス、r3000_cp0クラスなどが担当する。 r3000クラスは外部とのインタフェースだけを提供する。

11.18 r3000_processing_elementクラス

generic_processing_elementクラスの継承クラスで、R3000プロセッサ によるプロセシングエレメントを表す。See section 8.20 generic_processing_elementクラス.

set_instruction_cache_size(size_type, size_type)

1次命令キャッシュのサイズを指定する。第一引数はキャッシュサイズ、第二 引数はラインサイズである。

set_data_cache_size(size_type, size_type)

1次データキャッシュのサイズを指定する。第一引数はキャッシュサイズ、第 二引数はラインサイズである。

11.19 mips_executableクラス

mips--ecoff形式の実行ファイル形式を規定したクラス。mips--ecoff形式のバ イナリファイルをロードする機能を持つ。

void load_header(istream&)

引数で指定されたストリームから、実行バイナリファイルのヘッダ部分を読み 込む。

bool load_body_to_memory(istream&, memory_map_type&)

第一引数で指定されたストリームから、第二引数で指定されたメモリマップに 実行バイナリファイルの本体を読み込む。成功した場合は真を返す。

void disassemble(ostream&, memory_map_type&, address_type, size_type)

第一引数で示されるストリームに、第二引数で示されるメモリマップ上の領域 の内容のディスアセンブル結果を出力する。領域の先頭番地と大きさは第三引 数と第四引数で示されている。