亂序超標(biāo)量處理器寄存器重命名機(jī)制的設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，處理器應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，同時(shí)應(yīng)用對(duì)處理器的性能需求也在不斷提高。處理器性能提升的主要方法有：提升處理器主頻和提高指令級(jí)并行性，而當(dāng)下已經(jīng)不再刻意通過提升主頻來提升處理器性能，提高指令級(jí)并行性成為提升處理器性能的主要手段。限制指令并行執(zhí)行的主要原因是指令間存在的相關(guān)：包括數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)和名相關(guān)。寄存器重命名機(jī)制可以消除名相關(guān)，在保持指令間依賴關(guān)系的同時(shí)，挖掘指令間潛在的并行性，從而提升處理器的性能。
　

2、　本文在調(diào)研寄存器重命名機(jī)制相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，面向項(xiàng)目組在研的一款亂序超標(biāo)量處理器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了寄存器重命名機(jī)制，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。本文的主要工作如下：
　　1、寄存器重命名機(jī)制的設(shè)計(jì)。依據(jù)處理器微體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了寄存器重命名機(jī)制。該機(jī)制是一種基于重命名緩沖的方式，擁有獨(dú)立的重命名寄存器文件，所有類型的體系結(jié)構(gòu)寄存器共用一個(gè)重命名寄存器文件，使用重命名映射表記錄體系結(jié)構(gòu)寄存器到重命名寄存器的映射關(guān)系。
　　2、寄存器重命名機(jī)

3、制的優(yōu)化。采用基于計(jì)數(shù)器的性能分析方法對(duì)處理器進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)因?yàn)橹孛拇嫫鲾?shù)目不足導(dǎo)致的指令重命名停頓較多，尤其是CFP2000程序更加嚴(yán)重，據(jù)此提出增加重命名寄存器個(gè)數(shù)以提升處理器性能，并實(shí)現(xiàn)了重命名寄存器個(gè)數(shù)可配置的Verilog代碼。增加個(gè)數(shù)勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致重命名寄存器文件面積增加，而因?yàn)槎丝跀?shù)目很多，寄存器文件的面積原本就很大。為了優(yōu)化面積，提出了一種寄存器文件讀端口共享方案以減少寄存器文件端口數(shù)，在盡可能較小影響性能的同時(shí)減少寄存

4、器文件的面積。
　　3、寄存器重命名邏輯的功能驗(yàn)證。結(jié)合多種功能驗(yàn)證手段，對(duì)用Verilog實(shí)現(xiàn)的寄存器重命名機(jī)制及其優(yōu)化方案進(jìn)行了功能驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)現(xiàn)的寄存器重命名代碼的特點(diǎn)，對(duì)不同功能模塊采用不同的驗(yàn)證手段，以提高驗(yàn)證效率。
　　4、寄存器重命名機(jī)制的評(píng)估。分別對(duì)用Verilog實(shí)現(xiàn)的寄存器重命名機(jī)制及其優(yōu)化方案進(jìn)行了性能評(píng)估和物理評(píng)估，以從性能、面積和時(shí)序等方面進(jìn)行綜合評(píng)估，并確定最終應(yīng)用在亂序超標(biāo)量處理器中的寄存器重命