5. IF-QUEUE¶

IF-QUEUE是前端异步流水线的最后一级，用于对传来的指令进行译码、分支预测，以及暂存译码后的指令序列，用于传递给后端。

IF-QUEUE采用与其它流水级不同的就绪规则：在队列即将满时，IF-QUEUE会停止接收上一级的指令（in_ready=0），使得最后一条解码的指令流入队列后，队列恰好装满。

IF-QUEUE作为分支预测的所在点，可以取消前面的流水线操作（保证了“在分支预测完全正确的情况下，流入指令队列的指令恰好是完全正确的”），但是同时也可以被ROB带来的跳转取消并清空。具体的清空逻辑参见IF-CTRL。

5.1. Decoder¶

针对RISC-V指令集的解码器。该解码器的框架是由一个简单的工具生成的，它将RISC-V指令翻译成更方便使用的形式（例如，附加了当前PC、取指异常类型、分支预测的结果等字段，并且将Rs、Rt、Rd设置为正确的值）。 Decoder被设计一个组合逻辑，但是它可以触发分支预测。分支预测的操作就是在这里完成的。

5.2. 对Branch指令的预测¶

Branch指令的跳转地址可以由指令本身和指令的PC简单计算出来，关键在于Branch是否被采用。我们使用一个2bit的饱和计数器预测Branch指令，并且在Branch指令被提交的时候更新这个计数器。

5.3. 对Jal/Jalr对的处理¶

Jal指令的跳转地址是已知的，但是Jalr指令的跳转地址是由寄存器的值决定的。这意味着我们不能很方便地预测Jalr的目的地址。

幸运的是，RISC-V规定，使用x1/x5寄存器作为“函数调用和返回”的Hint。这允许我们在涉及到x1/x5寄存器的Jal和Jalr指令时，使用一个“返回地址栈”进行分支预测：当Jal指令被认为是一个函数调用（rd为x1/x5）时，PC+4被压入栈中；当Jalr被认为时一个返回（rs为x1/x5）时，栈顶被从栈中挪出，作为分支预测的地址（大致如此，具体操作参考RISC-V文档）。

我们使用一个固定大小的栈来实现RAS，并且规定当栈满时，push操作会丢弃栈底的地址，使得最近的几次return能够正确，而较远的return分支预测失败。当栈为空，或者源寄存器不是x1/x5时，我们使用“当前时刻寄存器中的值”作为猜测的跳转值。

然而，返回地址预测要求我们为经过Decoder的所有指令，都要对返回地址栈进行操作，而在分支预测错误时，经过Decoder的所有指令并非正确的指令序列。考虑如下的情形：

有一个Branch指令，taken时会跳过一个目标为x1的Jalr；Branch预测结果为not taken，而实际情况为taken。
错误指令流中的错误的Jalr从RAS里带走了一个元素。
发现Branch预测失败，但是最终返回地址栈错误地弹出了一个元素，导致接下来所有的返回操作都会因为错开了一个元素而预测错误。

为了避免错误的分支预测干扰我们的返回地址预测，我们借助于将返回地址栈分两份存储来解决这个问题，记作RAS和影子RAS。

初始化时，RAS和影子RAS都清空。
所有经过Decoder的指令会按照规则更新影子RAS并且从影子RAS中取得分支预测地址，但是不会更新RAS。
所有被提交的指令会按照规则更新RAS。
当指令提交导致PC变化时（例如中断、异常、分支预测失败），将影子RAS的状态刷新到和RAS一致。

通过维护两份RAS，我们较为精确地实现了返回地址预测：只要软件遵循x1/x5作为调用/返回的hint，我们便能精确地预测返回用Jalr的目标地址。

对于一般的Jalr，我们使用朴素的预测方法，寄希望于寄存器没有发生改变。