【摘 要】
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在处理器设计中,高精度的分支预测可以有效避免由于预测失败导致的流水线冲刷,从而降低无效功耗并提高处理器的性能。但是分支预测准确度和硬件设计复杂度的折衷又是嵌入式领域不得不考虑的重要因素,所以在硬件开销较少的条件下进一步提高分支预测的准确度对于低功耗处理器具有重要的实现意义和价值。针对以上分析,本文基于Gshare预测器设计了一款五级流水RISC-V处理器,本文的主要工作包括:1.完成了Gshare
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在处理器设计中,高精度的分支预测可以有效避免由于预测失败导致的流水线冲刷,从而降低无效功耗并提高处理器的性能。但是分支预测准确度和硬件设计复杂度的折衷又是嵌入式领域不得不考虑的重要因素,所以在硬件开销较少的条件下进一步提高分支预测的准确度对于低功耗处理器具有重要的实现意义和价值。针对以上分析,本文基于Gshare预测器设计了一款五级流水RISC-V处理器,本文的主要工作包括:1.完成了Gshare预测器的设计与实现,对模式历史表（Pattern History Table,PHT）进行了分页处理,在选中其中一页时,其他的三页均采用操作数隔离的手段进行屏蔽,通过减少对PHT的访问次数达到降低功耗的效果。在地址预测方面,在分支目标缓存（Branch Target Buffer,BTB）中引入了最近最少使用算法（Least Recently Used,LRU）,避免了由于地址覆写导致的地址预测命中率下降的问题,从而提高了整体的预测成功率。2.基于Gshare预测器设计了一款五级流水RISC-V处理器,处理器核采用RISC-V指令集架构,由于RISC-V指令集架构消除了昂贵的许可障碍且灵活性比较强,所以在处理器设计中可以真正的实现自主可控。在RISC-V处理器核的设计中,为了避免控制冒险,采用自主优化的Gshare预测器进行方向预测。为了避免结构冒险,利用哈佛结构防止取值和访存同时进行导致的资源冲突。为了避免数据冒险,采用了旁路网络结构和流水线暂停的方式解决数据相关性问题。3.对分支预测和处理器做了全面的仿真与验证,实验结果表明,Gshare预测器在PHT中所耗费的功耗降低了20%,在BTB中引用LRU替换策略后,使总体的分支预测的成功率提高了1.3%,处理器最终在50Mhz时钟频率下的Core Mark跑分达到2.31,接近于ARM-Cortex-M0的性能。
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