FSQ-only 的 BTB BPU 重构计划（删除 FTQ，对齐 RTL）
背景
当前 BTB-only 的 decoupled frontend 在实现上基本已经形成严格的 1:1 关系：
- 一个 FSQ entry（FetchStream）对应一个 FTQ entry（FtqEntry）。
- ftqId = fsqId - 1（历史遗留的 ID 偏移）。
目前 gem5 同时保留了两套结构：
- FSQ：fetchStreamQueue 保存完整元信息（用于 resolve/commit/update 等训练与统计）。
- FTQ：FetchTargetQueue 保存一份“最小投影”，fetch 用它来驱动 PC 范围检查与 taken/target 决策。
在 RTL 中（至少在 BTB-only + 1:1 的前提下），这类职责通常可以由一个 queue承担。我们的目标是简化并彻底删除 FTQ，让 fetch 直接消费 FSQ（FetchStream）。
本文档只记录任务规划与分阶段推进方式（本阶段不改代码）。
目标（Goals）
- 删除 BTB 预测器中的 全部 FTQ 内容：移除
FetchTargetQueue类以及DecoupledBPUWithBTB对它的依赖。 - 让 fetch 直接消费
FetchStream（FSQ head-driven）。 - 暂时保持外部接口里的 legacy ID 习惯：
ftqId = fsqId - 1（接口仍可能传ftqId，内部先兼容）。- 不再使用
ftq_size的容量/背压语义，只保留fsq_size（单队列模型）。 - 减少代码量与状态机分支，降低复杂度，便于后续继续贴近 RTL。
非目标（Non-goals，本系列不做）
- 不重写/重设计各个 predictor 子模块（UBTB/TAGE/ITTAGE/MGSC/RAS 等）。
- 第一步不做
FetchStream字段的语义大清理（结构稳定后再做）。 - 不承诺 IPC 完全不变：删除 FTQ 可能会减少内部“可见性”延迟（少一拍）。如需补回，会在其他位置（例如 fetch->decode 延迟）单独处理。
需要强制的关键不变量（assert/fatal）
- FSQ ID 单调递增：
- 新 stream 入队时的 id 必须满足：
nextId = baseId + deque.size()。 - fetch 按顺序消费 FSQ head：
- 当
fsqHeadId有效时，fetch 的pc必须在[stream.startPC, stream.predEndPC)之内。 - legacy ID 映射：
- 当
ftqId与fsqId同时出现时，强制ftqId == fsqId - 1。
分阶段推进方案（推荐顺序）
Phase 1：先把 FSQ 容器改成 std::deque + baseId（暂不删 FTQ）
为什么先做：这是机械重构，语义风险低；并且能把“队列 head”的概念显式化、O(1) 化，后续删 FTQ 会更简单。
实现草案
- 在 src/cpu/pred/btb/decoupled_bpred.hh：
- 将：
- std::map<FetchStreamId, FetchStream> fetchStreamQueue;
- 改为类似：
- std::deque<FetchStream> fetchStreamQ;
- FetchStreamId fetchStreamBaseId;（对应 fetchStreamQ.front() 的 id）
- FetchStreamId fsqNextId;（下一条入队要分配的 id，用于替代当前 fsqId 的用法）
- 在 BPU 内部提供私有 helper（建议集中封装，减少散落的 id/base 计算）：
- bool hasStream(FetchStreamId id) const;
- FetchStream& getStream(FetchStreamId id);
- const FetchStream& getStream(FetchStreamId id) const;
- FetchStreamId frontId() const;
- FetchStreamId backId() const;
- void eraseAfter(FetchStreamId id);（替代 squashStreamAfter 的 map/upper_bound 写法）
- void commitThrough(FetchStreamId id);（替代 update() 里逐个 erase 的逻辑，改为 pop_front）
- 在 src/cpu/pred/btb/decoupled_bpred.cc 更新所有相关访问点：
- processNewPrediction() 的入队路径。
- squashStreamAfter()。
- update(stream_id, tid) 的 commit 路径。
- 所有 find()/upper_bound() 改为 deque 索引。
- 需要访问 fsqId - 1 的地方（例如 abtb update）改成显式“取前一个 entry”（存在则用，不存在走 fallback）。
验收
- 编译通过，并能跑通（此阶段 FTQ 仍存在，所以外部行为应保持一致）。
- BTB predictor 内部不再出现 std::map 的 FSQ 存储。
Phase 2：让 fetch 直接消费 FSQ head（接口迁移）
为什么：你现在的 fetch.cc 已经是 head-driven，不再依赖 decoupledPredict()；把“head”从 FtqEntry 切到 FetchStream 是直观的下一步。
实现草案
- 在 BPU 侧提供对 fetch 的接口（命名待定；为了减小 diff，可先保留旧名字并在内部转发）：
- bool fsqHasHead()
- const FetchStream& fsqHead()
- FetchStreamId fsqHeadId()
- FetchTargetId headFtqId() { return fsqHeadId() - 1; }
- 在 src/cpu/o3/fetch.cc：
- lookupAndUpdateNextPC()：
- 用 FetchStream 替代 FtqEntry：
- start：stream.startPC
- end：stream.predEndPC
- taken：stream.predTaken && (curr_pc == stream.predBranchInfo.pc)
- target：stream.predBranchInfo.target
- buildInst()：
- setFsqId(fsqHeadId)
- setFtqId(fsqHeadId - 1)（保持 legacy offset）
-（可选）过渡期做一致性检查：
- 在未删 FTQ 前，可以在 debug/assert 中对比 “FSQ 推导出的范围/分支点/target” 与 “FTQ head” 是否一致，帮助尽早发现不变量被破坏的情况。
验收
- fetch 不再依赖 ftqHead()/ftqHasHead()（或者这些接口已经等价转发到 FSQ）。
- squash/commit/update 训练路径保持可用。
Phase 3：彻底删除 FTQ（删除类 + 删除构建源 + 删除相关逻辑）
删除内容
- src/cpu/pred/btb/fetch_target_queue.hh
- src/cpu/pred/btb/fetch_target_queue.cc
- src/cpu/pred/SConscript：删除 Source('btb/fetch_target_queue.cc')
- 清理所有 include/引用点：
- src/cpu/pred/btb/decoupled_bpred.hh
- src/cpu/pred/btb/decoupled_bpred.cc
- src/cpu/pred/btb/test/*（涉及 FTQ 的测试需要改写或移除）
BPU 行为变化
- 删除 tryEnqFetchTarget() 整条路径（不再存在 FTQ enqueue state）。
- 明确 “fetch head 的 FSQ 指针”：
- 增加 FetchStreamId fetchHeadFsqId（或者如果 head 永远等于 deque front，可直接从 baseId 推导）。
- consumeFetchTarget(ftq_id, fsq_id, fetched_inst_num)：
- assert ftq_id == fsq_id - 1
- 写回 FetchStream.fetchInstNum = fetched_inst_num
- 推进 head（如 head 独立）或按队列语义消耗
- squash 处理：
- 移除 fetchTargetQueue.squash(...)
- 设置 fetchHeadFsqId = stream_id + 1（并对 FSQ 做 eraseAfter(stream_id)）
性能/时序说明 - 删除 FTQ 后，FSQ entry 可能会更早对 fetch 可见（甚至同拍可见）。 - 这是为了贴近 RTL 的“单队列”模型；如果需要保留 1-cycle 延迟，应在其他位置单独补回（不在本阶段强行制造额外状态机）。
验收 - BTB predictor 中不再存在任何 FTQ 符号/文件。 - fetch 完全由 FSQ head stream 驱动。
Phase 4（后续）：清理/拆分 FetchStream 字段（减少“迷惑性字段”）
等 Phase 1–3 稳定后，再逐步做语义级清理：
- 可能的拆分方式：
- PredInfo：start/end、taken、branch info、btb entries、metas、history snapshots
- ResolveInfo/UpdateInfo：exeTaken/exeBranchInfo/updateBTBEntries/squash info
- Stats/Trace：可选，必要时用开关控制
- 删除不再被 update/trace/统计路径使用的字段。
之所以放最后，是因为它会触及大量逻辑路径，属于“语义重构”，不适合和 FTQ 删除叠加在同一个阶段里做。
预计会改动的文件
src/cpu/pred/btb/decoupled_bpred.hhsrc/cpu/pred/btb/decoupled_bpred.ccsrc/cpu/o3/fetch.ccsrc/cpu/pred/SConscript-（删除）src/cpu/pred/btb/fetch_target_queue.hh,src/cpu/pred/btb/fetch_target_queue.ccsrc/cpu/pred/btb/test/下相关测试（视情况）
验证清单
- 编译：
scons build/RISCV/gem5.opt -j- 最小运行：
- 任意能覆盖 branch + squash 的短 workload（按你本地已有脚本/配置即可）。
- 断言检查：
- 消费 head stream 时，
pc始终满足[stream.startPC, stream.predEndPC)。 - 所有同时出现
ftqId/fsqId的接口上，满足ftqId == fsqId - 1。