超标量 — Superscalar Dual-Issue

📖 超标量架构概述

超标量（Superscalar）处理器是现代CPU的核心技术——它在一个时钟周期内同时发射多条指令到不同的执行单元。与增加时钟频率不同，超标量通过指令级并行（ILP）提升性能。

🔬 双发射发射逻辑

双发射处理器在发射阶段（Issue）检查两条指令是否可以同时执行：

超标量的三种类型

• 顺序发射顺序完成（In-order）：最简单，本课实现。ARM Cortex-A53、Rocket Core
• 顺序发射乱序完成：中等复杂。长延迟操作（乘法、除法）可以乱序完成
• 乱序发射乱序完成（OoO）：最复杂，性能最高。BOOM、Cortex-A72+（第15-19课已讲）

🖥️ Verilog实现：双发射超标量核心

// Lesson 31: Superscalar Dual-Issue Pipeline
// 双发射顺序流水线：每周期发射0/1/2条指令
module superscalar_dual #(
    parameter DATA_W = 32
)(
    input  wire              clk, rst_n,
    input  wire [DATA_W-1:0] imem_rdata_i,
    input  wire [DATA_W-1:0] pc_i,
    input  wire              imem_valid_i,
    input  wire [4:0]        rs1_idx_i, rs2_idx_i, rs3_idx_i, rs4_idx_i,
    input  wire [DATA_W-1:0] rf_rs1_i, rf_rs2_i, rf_rs3_i, rf_rs4_i,
    input  wire [6:0]        opcode1_i, opcode2_i,
    input  wire              issue1_valid_i, issue2_valid_i,
    output reg  [DATA_W-1:0] alu_result1_o, alu_result2_o,
    output reg               issue1_o, issue2_o,
    output reg               stall_o
);
    localparam [3:0] OP_ADD=0, OP_SUB=1, OP_AND=2, OP_OR=3,
                     OP_XOR=4, OP_SLL=5, OP_SRL=6, OP_SLT=7;

    reg [3:0] op1, op2;
    reg [DATA_W-1:0] op_a1, op_b1, op_a2, op_b2;
    reg raw_hazard;

    // RAW冒险检测：inst2读inst1写的寄存器
    always @(*) begin
        raw_hazard = 1'b0;
        if (issue1_valid_i && issue2_valid_i) begin
            if ((rs3_idx_i == rs1_idx_i && rs1_idx_i != 5'd0) ||
                (rs4_idx_i == rs1_idx_i && rs1_idx_i != 5'd0) ||
                (rs3_idx_i == rs2_idx_i && rs2_idx_i != 5'd0) ||
                (rs4_idx_i == rs2_idx_i && rs2_idx_i != 5'd0))
                raw_hazard = 1'b1;
        end
    end

    // 发射逻辑：无冒险→双发射，有冒险→单发射+停顿
    always @(*) begin
        stall_o = 1'b0; issue1_o = 1'b0; issue2_o = 1'b0;
        if (issue1_valid_i && issue2_valid_i && !raw_hazard) begin
            issue1_o = 1'b1; issue2_o = 1'b1;  // 双发射！
        end else if (issue1_valid_i) begin
            issue1_o = 1'b1;
            if (issue2_valid_i && raw_hazard)
                stall_o = 1'b1;  // inst2停顿
        end
    end

    // 双ALU执行单元
    always @(*) begin
        op_a1 = rf_rs1_i; op_b1 = rf_rs2_i;
        case (op1)
            OP_ADD: alu_result1_o = op_a1 + op_b1;
            OP_SUB: alu_result1_o = op_a1 - op_b1;
            OP_AND: alu_result1_o = op_a1 & op_b1;
            OP_OR:  alu_result1_o = op_a1 | op_b1;
            OP_XOR: alu_result1_o = op_a1 ^ op_b1;
            OP_SLL: alu_result1_o = op_a1 << op_b1[4:0];
            OP_SRL: alu_result1_o = op_a1 >> op_b1[4:0];
            OP_SLT: alu_result1_o = ($signed(op_a1) < $signed(op_b1))
                        ? 1 : 0;
            default: alu_result1_o = op_a1 + op_b1;
        endcase
    end
    // ALU2结构相同...
endmodule

代码解析

• RAW冒险检测：检查inst2的源寄存器（rs3/rs4）是否与inst1的目标寄存器（rs1/rs2）重叠
• 发射决策：无冒险→双发射；有冒险→单发射+停顿；x0寄存器不产生依赖
• 双ALU：两个独立的算术单元并行执行
• stall信号：通知取指阶段inst2被停顿，下周期重新发射

📊 真实世界超标量处理器对比

🧪 实验练习

1. 添加结构冒险检测：如果两条指令都需要除法器（只有一个），只能串行执行
2. 实现3发射：增加第三个执行单元和6R3W寄存器堆
3. 添加分支预测：分支指令只走lane 0，lane 1停顿
4. 测量双发射IPC：跑Dhrystone/CoreMark统计双发射比例