超標(biāo)量嵌入式處理器關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計研究.pdf

1、隨著嵌入式應(yīng)用日新月異，高性能低功耗的嵌入式處理器是未來嵌入式系統(tǒng)的重要需求。超標(biāo)量技術(shù)通過單周期多指令并行發(fā)射、執(zhí)行和退休，有效提升處理器性能，已成為當(dāng)前高端嵌入式處理器技術(shù)發(fā)展的新趨勢。本文重點研究超標(biāo)量嵌入式處理器若干高性能低功耗關(guān)鍵技術(shù)，主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點包括：
　　 1、無延時分支預(yù)測和低功耗分支折合機(jī)制。提出了一種通過全局預(yù)測歷史索引分支歷史表的無延時分支預(yù)測方法，解決超標(biāo)量流水線全局分支歷史別名問題。根據(jù)短循環(huán)取

2、指特性提出基于指令緩沖區(qū)中已發(fā)射指令回收利用的循環(huán)分支折合技術(shù)。在出現(xiàn)循環(huán)分支時從動態(tài)開辟的指令回收區(qū)內(nèi)回收循環(huán)體指令，消除分支性能損失并降低取指功耗。
　　 2、具有快速退休功能的非阻塞投機(jī)亂序執(zhí)行機(jī)制。動態(tài)分配保留站的非阻塞發(fā)射機(jī)制解決數(shù)據(jù)相關(guān)性對指令發(fā)射的影響。基于投機(jī)標(biāo)志的亂序執(zhí)行方法消除控制相關(guān)性對流水線阻塞，并在分支預(yù)測錯誤時快速恢復(fù)指令預(yù)取現(xiàn)場補(bǔ)償性能損失。通過一種由運(yùn)算單元控制寄存器回寫的快速退休機(jī)制，解決長延時

3、指令執(zhí)行對主流水線退休的阻塞。
　　 3、片上存儲器高性能低功耗技術(shù)。提出指令Cache行內(nèi)訪問低功耗模式和后向分支跳轉(zhuǎn)下的低功耗技術(shù)?；谠L問請求緩沖的非阻塞流水線技術(shù)解決數(shù)據(jù)Cache訪問沖突。在SPM設(shè)計中，引入兩種工作模式、提出處理器和DMA任務(wù)級并行機(jī)制及SPM擴(kuò)展方法。并在SPM基礎(chǔ)上實現(xiàn)快速硬件堆棧，支持程序無縫切換。
　　 4、通用協(xié)處理器擴(kuò)展技術(shù)。通用協(xié)處理器指令實現(xiàn)基本指令集到擴(kuò)展指令集的信息交互，解

4、決16位指令集擴(kuò)展難題。進(jìn)一步提出了同步和異步工作模式、非精確異常下指令級并行技術(shù)和支持優(yōu)先級的中斷響應(yīng)機(jī)制等優(yōu)化方法。
　　 5、基于數(shù)據(jù)通路不可觀察性(ODC)的RTL級門控時鐘優(yōu)化算法。在門控條件提取算法中引入總線和短路徑計算模型，有效降低運(yùn)算負(fù)荷。在門控時鐘綜合算法中，引入通路ODC概率作為門控邏輯綜合的重要依據(jù)，優(yōu)先優(yōu)化門控概率高的數(shù)據(jù)通路，提高門控網(wǎng)絡(luò)的效率。
　　 6、提出了面向?qū)ο蟮奶幚砥鲿r鐘精確模型設(shè)計