微处理器中分支处理技术的开发与研究

论文摘要

现代微处理器普遍采用流水线、超级流水线、超标量流水线等技术来提高指令并行度,但指令流中的分支指令往往造成流水线效率损失,影响其性能的发挥。论文研究内容基于企业研发的一款双核通信处理SOC芯片中32位嵌入式精简指令集微处理器,本人在项目中负责此微处理器中流水线优化工作和分支处理单元的设计。本文所设计的分支处理单元采用了一种分支折叠和分支预测技术并用的分支处理策略,它能有效解决分支指令给流水线造成的阻塞。分支折叠能够将部分分支指令在调入指令执行阶段之前清除出指令流水线;基于条件码的静态分支预测方法有效地利用了体系结构中指令集特点,在实现低分支处理机制复杂度的同时也能获得较高的分支预测效率。本文在完成了此微处理器中分支处理单元各模块的设计之后,建立了相关验证环境,仔细编写验证计划和测试程序,进行了高覆盖率的系统功能验证,逐步检验各个模块功能及系统工作。采用0.18μm标准单元库的后端设计即将结束,准备流片,主频达到266MHZ。对研究结果进行了总结表明,所设计的分支处理单元能切实有效地提高微处理器中流水线效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究的主要内容
• 1.3 论文结构
• 1.4 论文研究成果与意义
• 1.4.1 课题研究的主要成果
• 1.4.2 课题研究的主要意义
• 第二章 分支处理技术
• 2.1 延迟分支
• 2.2 循环缓冲器
• 2.3 多个指令流
• 2.4 预取分支转移目标
• 2.5 分支折叠
• 2.6 分支预测
• 2.6.1 静态分支预测
• 2.6.2 动态分支预测
• 2.6.3 两级分支预测
• 2.6.4 分支目标地址计算
• 小结
• 第三章 S微处理器中的分支指令处理
• 3.1 S微处理器简介
• 3.2 S微处理器采用的流水线结构
• 3.3 分支处理单元
• 3.4 S微处理器中的分支指令
• 3.5 分支折叠
• 3.5.1 分支折叠方案
• 3.5.2 分支折叠的实现
• 3.5.3 指令编码优化实现分支折叠
• 3.6 分支预测
• 3.6.1 分支预测机制
• 3.6.2 分支指令编码解析
• 3.6.3 指令的推测执行
• 3.6.4 分支指令推测执行时序分析
• 3.6.5 分支误预测恢复机制
• 3.6.6 分支预测优化方案
• 3.7 分支目标地址
• 本章总结
• 第四章 S微处理器中分支处理单元功能验证
• 4.1 仿真验证流程
• 4.1.1 选定仿真验证方法
• 4.1.2 制定验证环境
• 4.1.3 验证方案
• 4.2 分支处理单元功能验证结论
• 本章总结
• 第五章 结束语
• 5.1 全文工作总结
• 5.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A