基于存储资源迭代重用的低成本寄存器重命名方法

针对超标量深流水线中物理寄存器资源冲突造成的流水线阻塞问题,提出了一种多指令共享同一物理寄存器资源的非阻塞指令发射方法。该方法可在物理寄存器资源冲突下继续分配物理寄存器,利用发射缓冲队列临时缓冲冲突的指令,增加发射流水级实际可分配的物理寄存器数量,释放发射窗口,提高物理寄存器使用的并行性。实验结果表明:相对于传统重命名方法,该方法可减少27.3%的物理寄存器资源实现传统方法相同的性能。     

基于循环的指令高速缓存访问预测方法

为了减少高速缓存访问功耗,提出了一种针对循环的基于历史访问路径的指令高速缓存访问预测方法。该方法以循环作为高速缓存访问路预测行为开启的先决条件,通过指令高速缓存的历史访问路径训练预测器。当循环体再次进入时选择对应的访问路径预测器,获取目标指令高速缓存的路进行访问,降低访问功耗。并进一步提出多路径路预测方法,以得到更高的预测准确率。基于Powerstone测试基准的实验结果表明,该预测方法能达到99%的预测准确率。相比传统的指令高速缓存,使用本方法的高速缓存可平均降低65%的访问功耗,仅增加约0.2%的平均指令高速缓存访问周期。     

基于指令回收的低功耗循环分支折合技术

在分析循环分支特性的基础上,提出一种基于过期指令回收的高性能低功耗循环分支折合方法.该方法通过复用指令缓冲区硬件资源实现指令回收区.在循环分支折合过程中,循环体指令直接从回收区送入流水线,降低了分支延时,消除了指令高速缓存访问.通过自适应调整回收窗口宽度,可使有限的指令缓冲区硬件资源同时满足指令缓冲与指令回收的双重需求.当投机折合进入预测盲区时关闭分支预测存储器,从而降低投机折合的动态功耗.实验数据表明,与传统循环分支折合技术相比,应用本方法的嵌入式处理器总体性能平均提升5.03%,取指单元动态功耗下降22.10%.     

基于投机执行的两级退休机制

针对超标量处理器中指令长时间占用重排序缓存引起指令退休缓慢的问题,提出了一种基于投机执行的两级退休机制.该方案根据指令有无异常和预测错误风险将指令分为有风险指令和无风险指令,对重排序缓存进行轻量化改进,只有存在异常和预测风险的指令才允许进重排序缓存,在确认风险消除后将指令快速退休.重命名寄存器从重排序缓存分离,负责寄存器重命名和结果乱序回写.实验结果表明,在硬件资源相同的情况下,基于该方案的处理器比传统的按序退休处理器的性能平均提高28.8％以上.     

面向宽电压应用的容错时钟门控单元设计

为了将时钟门控技术应用于时序容错系统中,提出具备时序错误检测与自纠正能力的时钟门控单元.该单元通过监测内部虚拟节点电压变化,得到数据晚到信息;利用该监测信息可以重新打开时钟树网络,完成时钟被错误关断情形的当前周期自主现场纠错.给出容错时钟门控单元在现有的多种时钟门控技术中的适用性分析,讨论与之对应的纠错方案选择策略.基于SMIC 40 nm LL工艺库,仅新增12个额外的晶体管实现该单元,从原理图和版图2个层面,对其在宽电压工作下的容错能力进行分析验证,并给出集成到系统设计时所需的时序检查方法.将该单元应用于一款商用处理器C-SKY CK802物理设计中,实验结果表明系统能效相对于传统设计提高了64.7%,而时钟树功耗相对于现有的容错设计下降了32%.     

支持程序无缝切换的高性能硬件堆栈

针对函数调用中上下文切换产生的性能损失,提出一种支持程序无缝切换的嵌入式处理器高性能硬件堆栈.高性能硬件堆栈包括数据栈和返回栈,采用动态可重构的两级缓存机制,消除程序切换的性能开销.数据栈实现单周期多数据压栈/出栈,隐藏程序切换中的堆栈操作;返回栈实现指令超前预取,消除程序返回时流水线气泡.数据栈与返回栈分别复用数据和指令高速暂存器,实现用户可重构的二级缓存.实验结果显示：本方法平均提升性能10%以上,功耗降低2%.     

基于神经网络的重构指令预取机制及其可扩展架构

针对动态可重构处理器的配置信息加载延时,提出了一种基于神经网络的可扩展的重构指令预取机制.增加感受器的历史指令信息,并结合感受器权重构建新型的感受器模型,通过权重与历史指令信息的协同训练学习重构指令调用规律.在处理器运行过程中,提前完成对后续重构指令的预测及配置信息的预取,隐藏指令重构成本.进一步提出了本方法的可扩展实现框架,神经网络的学习结果作为重构指令的关联信息,被移至内存并分布式存储.在重构指令预取时,完成对神经网络学习信息的加载.实验结果表明,该方法对重构指令的预测准确率达91%,综合性能平均提升40%.     

基于循环体访问过滤的低功耗分支目标缓冲器

分支目标缓存(BTB)是高端嵌入式CPU的主要耗能部件之一。针对BTB访问中引入的冗余功耗问题,提出了一种循环体访问过滤机制消除循环体指令流中顺序指令对BTB的无效访问。进一步提出了一种分支跟踪方法补偿循环过滤机制对循环体中非循环类分支指令的错误过滤造成的性能损失,节省了循环体指令流中顺序指令访问BTB的大量冗余功耗。基于Powerstone基准程序的仿真实验表明,在128表项BTB配置下,二级循环过滤器和4表项分支踪迹表可以减少约71.9%的BTB功耗,而平均每条指令周期数(CPI)退化仅为0.66%。