在现代计算机体系结构中,处理器需要不断与存储系统进行交互以读取和写入数据。但随着现代处理器架构和微体系结构设计技术的不断进步与集成电路工艺制造水平的不断提高,数据的读写访问速度与处理器处理数据速度之间的差异越来越明显,从而制约了处理器整体性能的提升。分层次存储系统结构的出现在一定程度上缓解了该问题,但当处理器在一级高速缓存中访存请求不命中时,仍然需要向下级存储结构请求数据。在这个过程中,处理器需要较多的时钟周期等待数据的返回响应,从而产生较大的时钟延时,影响处理器性能。而预取技术能够使处理器在产生访存失效之前,将相关数据取回到高速缓存,从而达到隐藏访存失效时间,提高处理器运行性能的目的。BOOM是一款采用RISCV精简指令集的典型超标量乱序处理器。但是,在BOOM的设计中,没有实现硬件数据预取相关功能的结构单元,因而其处理器性能仍有进一步提升空间。本文以BOOM处理器作为实验平台,详细总结介绍了预取技术的分类和原理,并通过分析BOOM乱序处理器中访存通路相关单元模块,如一级缓存单元、虚实转换模块和LSU单元等结构的设计特点;结合其设计特点,在该处理器平台上,为一级数据缓存设计实现了顺序硬件数据预取和虚拟地址步长推断预取方案;另外,为BOOM处理器添加了针对缓存模块读写操作的性能计数器,实现了对于处理器运行时缓存性能参数的监测;最后基于SPEC CPU 2006测试程序使用Xilinx zc706FPGA开发板对BOOM处理器性能进行测试,通过对比FPGA仿真测试性能数据和不同方案设计原理,分析总结各个实验方案的优缺点。最终实验结果表明,本文设计添加的顺序硬件预取模块在测试程序中最好实现了处理器3%的性能提升,虚拟地址步长推断预取方案在测试程序中最好实现了处理器5%的性能提升。综合来看,两种数据预取方法都达到了设计的最初目的。