XS-Gem5

香山配套的 gem5 一般叫XS-GEM5，它是 2022 年 6 月从上游 gem5 fork 出来的、面向香山 RTL 做周期级对齐的 RISC-V 全系统模拟器，不是上游 gem5 的一个“版本号”，而是一个独立分支树 + 多套配置变体。

一、“几个版本”怎么理解

可以从两个维度看：

1. 分支（branch）维度

• xs-dev：内部开发分支的定期同步版

• backport：只回移植影响功能正确性和基本可用的补丁

• KMH-V2-CONFIG：昆明湖 V2 相关配置继续维护时切出的分支

• 另有带-align/-perf后缀的 CI 触发分支（分别对应 RTL 对齐配置、理想激进配置）

2. 配置脚本（configs/example 下，才是日常说的“V2/V3 版本”）

• kmhv2.py：昆明湖 V2 基线，对齐南湖→昆明湖 V2 的 RTL 快照

• kmhv3.py：昆明湖 V3 主线程配置，保守对齐“进行中的”V3 RTL（部分开关故意关掉）

• idealkmhv3.py：Ideal V3，激进微架构设定全开，跑分最高（SPEC06 曾 >20 pts/GHz），用于探索上限而非对齐 RTL

雁栖湖（一代）、南湖（二代）时代也有过对应校准脚本，但现在主推的是昆明湖 V2/V3 这三套。

二、微架构仿真到什么层次

XS-GEM5 定位是“RTL 之前的周期级性能探索模型”，介于 NEMU（纯功能参考）和香山 RTL（Verilator/综合网表）之间。它不是 RTL 级（无门级/电路/时序网表），但是超标量乱序流水线的 cycle-accurate 性能模型，且按香山结构定制。

前端（取指/分支预测）

• 解耦前端（BPU 超前于 IFU）

• TAGE-SC + ITTAGE + 可选 Loop predictor + RAS + BTB/FTB

• 取指宽度、分支预测延迟、方向/目标预测结构按昆明湖校准

后端（乱序执行）

• 译码/重命名宽度、ROB/LQ/SQ 深度（如 256/80/64）、物理寄存器堆（192Int+192FP）

• 分布式调度器、保留站、发射宽度、执行延迟（ALU/FMA/MDU/Ld-St AGU）

• 回填/replay 恢复策略、Move elimination、Cascaded FMA、RVV 大部分对齐

访存与缓存子系统

• L1I/D（含 MSHR）、L2（含 sector cache）、L3、包含/非包含关系、各级延迟带宽

• 多预取器协同：Stream / Stride / BOP / SMS / Temporal / CDP，支持 VA→PA、active/passive offloading

• TLB 层次：L1 I/D TLB + L2 TLB + TLB 预取；PTW 并行化与 coalescing；RV-H 扩展支持

系统与辅助

• 全系统模拟（Linux / AM baremetal），不支持 SE 模式

• RVGCpt 检查点（NEMU 产、XS-GEM5 跑）、Online Difftest、Top-down 性能计数器

• 内存控制器/DRAM 带宽、DDR 参数校准

三、和 RTL 的精度边界

• SPEC CPU2006 上与昆明湖 RTL相关性 >95%，但这是“性能趋势/瓶颈相关性”，不是逐周期波形一致。

• 部分 V3 RTL 新特性（新 BPU、后端改动）还在落地，所以kmhv3.py故意留保守开关，等 RTL 合入再放开；idealkmhv3.py才代表模型能力上限。

• 它不建模：RTL 具体流水级数/转发通路、Chisel 实现细节、布局布线时序、电压频率物理效应。这些只能靠 RTL+Verilator 或门级仿真补。

简单说：XS-GEM5 = 香山定制版 gem5，3 套主配置（kmhv2 / kmhv3 / idealkmhv3）+ 几条开发分支；仿真层次到“超标量乱序 CPU + 完整 cache/TLB/预取/前后端微架构参数”的周期级性能模型，不到 RTL 门级，但比上游 gem5 O3 更贴香山。