X微处理器BTB部件的全定制设计

论文摘要

分支预测是影响微处理器性能的关键因素之一。在计算机学院微电子与微处理器研究所研制的一款高性能通用处理器(下称X微处理器)中，本人根据X微处理器的具体要求，优化设计了一款高速、低功耗、高精度的分支目标缓冲区(BTB)部件，并对其进行了全方位验证。 X微处理器试验样片投片测试结果表明，BTB部件工作正常，满足各方面性能指标。 研究工作完成的主要内容包括： (1) 在研究分析国外分支预测理论成果的基础上，针对X微处理器的设计要求，BTB部件采用前瞻型二级自适应算法并确定具体的实现框架。 (2) 通过理论分析，确定BTB存储单元阵列的设计方案。根据BTB部件的具体性能要求确定，细化了各子模块的具体实现，并给出性能分析。 (3) 针对BTB的设计要求，确定采用树状网络分布的时钟分布技术。深入探讨了时钟缓冲电路的最小延时和电路中反相器的最优尺寸。通过进一步深入分析，本文设计的BTB部件采用脉冲字线技术提高BTB读取速度，降低功耗。 (4) 建立功耗模型，指出常规TAG阵列、并行查询方式的低功耗瓶颈，X微处理器BTB部件采用新型的高速低功耗的TAG阵列设计和串行的查询方式，显著降低功耗。 (5) 针对BTB部件的功能需要，采用了随机替换算法以及两位饱和计数器算法，并给出电路实现，其电路结构简单，占用面积小。 (6) 阐述了BTB部件的版图实现技术，探讨了版图设计实现中的划分、布局、布线时应注意的问题，完成X微处理器BTB部件的版图设计与验证，并进行了寄生参数的提取及带寄生参数的电路线模拟。 本文研究的成果直接应用于X微处理器中，工程意义重大，研究中对全定制设计方法进行了探讨，为更高性能的微处理器设计积累了经验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 课题研究内容、成果和意义
• 1.3 本文的组织结构
• 第二章 分支目标缓冲区（BTB）的概论
• 2.1 分支预测技术的基本类型
• 2.1.1 BIMODAL算法
• 2.1.2 两级自适应分支预测算法
• 2.1.3 混合（HYBRID）预测算法
• 2.2 X微处理器BTB部件的预测算法
• 2.2.1 传统两级自适应分支预测算法的缺陷
• 2.2.2 前瞻型两级自适应预测算法
• 2.2.3 X微处理器BTB部件的预测流程
• 2.3 X微处理器BTB部件的结构设计
• 2.3.1 BTB的总体设计
• 2.3.2 BTB的存储体设计
• 2.3.3 BTB的项（ENTRY）
• 2.3.4 BTB基本域的设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 X微处理器BTB部件的存储体设计
• 3.1 BTB存储单元的设计
• 3.1.1 六管SRAM单元的结构与原理
• 3.1.2 存储单元尺寸的确定
• 3.1.3 X微处理器BTB部件存储单元的性能分析
• 3.2 BTB部件译码电路的设计
• 3.2.1 常见译码电路综述
• 3.2.2 X微处理器BTB部件译码电路的设计
• 3.2.3 X微处理器BTB部件地址译码器的性能分析
• 3.3 BTB部件的分体实现
• 3.3.1 分级字线的结构
• 3.3.2 带来的问题及解决方案
• 3.4 BTB部件敏感放大器的电路设计
• 3.4.1 敏感放大器的分类
• 3.4.2 电压型正反馈差分读出放大器的结构与原理
• 3.4.3 X微处理器BTB部件敏感放大器的电路设计
• 3.5 BTB部件预充电路的设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 X微处理器BTB部件的控制电路设计
• 4.1 时序控制电路设计
• 4.1.1 时钟产生电路的设计
• 4.1.2 精确字线脉冲宽度及延时优化技术
• 4.2 BTB部件的TAG阵列设计
• 4.2.1 常用的TAG单元及功耗模型
• 4.2.2 X微处理器BTB部件的TAG单元设计
• 4.3 BTB查询方式的电路设计
• 4.3.1 常用的并行查询方式
• 4.3.2 X微处理器BTB部件采用的串行查询方式
• 4.4 随机替换算法实现电路
• 4.4.1 常用的替换算法
• 4.4.2 X微处理器BTB部件采用随机替换算法
• 4.5 两位饱和计数器算法实现电路
• 4.6 本章小结
• 第五章 BTB的版图实现、验证及模拟
• 5.1 X微处理器BTB部件全定制设计
• 5.2 X微处理器BTB部件的版图实现及验证
• 5.2.1 BTB部件的版图实现
• 5.2.2 BTB部件版图的验证
• 5.3 X微处理器BTB部件的版图参数提取
• 5.4 X微处理器BTB部件的模拟验证
• 5.4.1 BTB的存储单元阵列验证
• 5.4.2 BTB部件的功能验证
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果