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X微处理器分支预测电路结构设计与优化

2020-11-22阅读(671)

X微处理器分支预测电路结构设计与优化

论文摘要

流水线技术的应用从本质上提高了微处理器的性能，成为了现代微处理器的基本特征，但指令流分支行为的不确定性影响了流水线性能的充分发挥，分支预测技术的出现在很大程度上解决了这一问题，良好的分支预测技术能有效的提高微处理器的取指效率，是微处理器性能提升的基本保证。因而，自上个世纪九十年代以来，分支预测技术一跃成为了微处理器领域研究的热点及难点。 相对静态分支预测技术，动态分支预测技术能有效适应程序的动态行为，对指令流的预测更加灵活准确。在目前实用化的分支预测技术中，使用分支目标缓冲器BTB来对指令分支行为进行预测是一种常用的方法。BTB通过对分支历史信息的记录，有效的预测后续指令流中分支的行为及其目标地址，较之其它常规分支预测技术更为有效，并利于VLSI实现。 在对X微处理器结构进行深入分析的基础上，并结合多种经典的分支预测技术，本文提出了四体、四路组相联的BTB结构。文中具体研究并实现了分支信息在BTB中的分配与替换、BTB的查找与更新、应用BTB进行分支预测以及双RSB的结构。对BTB的模块级和系统级两个层次验证结果表明，该设计可以用于X微处理器对分支指令的预测，样片生产后经实测表明X微处理器的分支预测部件工作正确。此外，为了适应未来更高性能超长流水线微处理器的需求，进一步提高分支预测的精度，本文还对容量为4K项的BTB结构进行了设计。SPEC95测试结果表明：本文所设计的256项和4K项BTB的命中失效率分别为12.7％和7.3％，且两种容量BTB都能够达到90％以上的预测准确率。比较发现，增大BTB容量到一定的程度能有效地减小BTB命中失效率，减小流水线的分支损失，从而进一步提升X微处理器的性能。

论文目录

  • 图目录
  • 表目录
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • §1.1 课题的研究背景
  • §1.2 分支预测技术与分支目标缓冲器BTB简介
  • §1.2.1 分支预测技术简介
  • §1.2.2 分支目标缓冲器BTB简介
  • §1.3 课题研究的主要内容
  • §1.4 本论文的结构
  • §1.5 本论文的研究成果
  • 第二章 动态分支预测技术概述
  • §2.1 典型的动态分支预测技术
  • §2.1.1 一位／两位分支预测
  • §2.1.2 基于相关的分支预测
  • §2.1.3 两级自适应分支预测
  • §2.1.4 gshare和gselect分支预测
  • §2.1.5 混合分支预测
  • §2.2 几种新的分支预测算法
  • §2.2.1 基于布尔公式的分支预测
  • §2.2.2 FAB预测器
  • §2.2.3 使用感知器的动态分支预测方法
  • §2.3 X微处理器对分支预测机制的选择
  • §2.4 小结
  • 第三章 X微处理器分支预测模型和BTB结构设计
  • §3.1 X微处理器简介
  • §3.1.1 X微处理器的主要部件
  • §3.1.2 X微处理器的流水线结构
  • §3.2 X微处理器对分支指令的处理
  • §3.2.1 不预测时对分支指令的处理
  • §3.2.2 对预测的分支指令的处理
  • §3.3 BTB体的结构设计和项的设置
  • §3.3.1 多体多路BTB的结构设计
  • §3.3.2 BTB项的设计
  • §3.4 BTB项的分配与替换方法
  • §3.4.1 BTB项的分配
  • §3.4.2 BTB项的替换
  • §3.5 BTB的查找和对分支指令的预测
  • §3.5.1 对多体多路结构BTB的查找和预测
  • §3.5.2 体优先权选择电路
  • §3.5.3 真命中
  • §3.6 BTB对分支指令的预测方法
  • §3.6.1 BTB对条件跳转类分支指令的预测方法
  • §3.6.2 BTB对非条件跳转类分支指令的预测方法
  • §3.7 BTB项的更新
  • §3.7.1 BTB项的快速更新
  • §3.7.2 对条件跳转和非条件跳转指令项的更新
  • §3.8 返回栈RSB
  • §3.8.1 双RSB的结构
  • §3.8.2 双RSB的工作过程
  • §3.9 小结
  • 第四章 X微处理器分支预测电路的功能验证
  • §4.1 分支预测电路的功能验证方法
  • §4.2 分支预测电路模块级的模拟验证
  • §4.2.1 对模块各种工作状态的模拟
  • §4.2.2 对模块时序的模拟
  • §4.2.3 涉及信号间相关性的模拟
  • §4.2.4 模块级模拟验证结论
  • §4.3 分支预测电路系统级的功能验证
  • §4.3.1 对新项分配的验证
  • §4.3.2 对BTB查找及预测的测试
  • §4.3.3 对BTB项替换的验证
  • §4.3.4 系统级功能验证结论
  • §4.4 小结
  • 第五章 大容量BTB的实现和两种容量BTB的性能比较
  • §5.1 容量为4K项的BTB结构设计
  • §5.1.1 BTB体、组、路的确定
  • §5.1.2 新结构BTB体内项的设置
  • §5.1.3 新结构BTB的工作机制
  • §5.1.4 两种容量BTB的硬件实现代价
  • §5.2 新结构BTB主要模块的实现方法
  • §5.2.1 BTB的体模块
  • §5.2.2 体的写控制模块
  • §5.2.3 体的读出控制模块
  • §5.3 两种容量BTB的性能比较
  • §5.4 小结
  • 第六章 结束语
  • 致谢
  • 攻读硕士期间发表的论文
  • 参考文献

    • 相关论文文献

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