[發(fā)明專利]多周期取指分支預(yù)測機制及分支別名、抖動優(yōu)化方案

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111301148.5
• 申請日: 2021-11-04
• 公開（公告）號: CN114020334A
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉德;魏敬和;唐茗敏
• 申請（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所;中科芯集成電路有限公司
• 主分類號: G06F9/38
• 分類號: G06F9/38;G06F9/30
• 代理公司: 無錫派爾特知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32340
• 代理人: 葉昕;楊立秋

本發(fā)明公開一種多周期取指分支預(yù)測機制及分支別名、抖動優(yōu)化方案，屬于計算機體系架構(gòu)領(lǐng)域，第一級預(yù)測器包括微型分支目標(biāo)緩存器，所述微型分支目標(biāo)緩存器采用寄存器陣列作為存儲單元，并能夠?qū)Ψ种Х较蚝头种繕?biāo)都進(jìn)行預(yù)測；第二級預(yù)測器包括大型分支目標(biāo)緩存器和雙峰表，所述采用SRAM作為存儲單元并支持大范圍目標(biāo)跳轉(zhuǎn)，所述雙峰表對分支方向進(jìn)行預(yù)測；第三級預(yù)測器為TAGE預(yù)測器和循環(huán)預(yù)測器，采用SRAM作為存儲單元并利用全局歷史進(jìn)行預(yù)測；對于第三級預(yù)測器，還輔以返回地址堆棧RAS和分支譯碼單元進(jìn)行預(yù)測。該多周期取指分支預(yù)測機制適用于多級流水的取指單元，能夠提供快速且準(zhǔn)確的分支預(yù)測，是一種具有實際應(yīng)用價值的分支預(yù)測機制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計算機體系架構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多周期取指分支預(yù)測機制及分支別名、抖動優(yōu)化方案。

背景技術(shù)

分支預(yù)測器是通用處理器CPU內(nèi)核的基本組成單元，其能夠通過預(yù)測取指的方式解決處理器流水線中的控制冒險。通過預(yù)測下周期取指，流水線能夠以推測的方式工作，從而提高流水線的效率，提升指令集并行度。

目前，分支預(yù)測器有靜態(tài)預(yù)測和動態(tài)預(yù)測兩大類。其中動態(tài)預(yù)測又可大致分為一級動態(tài)預(yù)測和兩級動態(tài)預(yù)測結(jié)構(gòu)。兩級動態(tài)預(yù)測結(jié)構(gòu)通過引入分支歷史能夠達(dá)到較高的預(yù)測準(zhǔn)確率，因此被廣泛采用。但是對于不同的處理器微架構(gòu)，分支預(yù)測器的具體實現(xiàn)需要結(jié)合處理器微架構(gòu)特點進(jìn)行適配。只有通過適配實現(xiàn)符合當(dāng)前處理器微架構(gòu)特點的分支預(yù)測器才能最大程度的提高所適配處理器的指令集并行度。此外，分支預(yù)測器本身也存在一些普遍性缺陷，如分支別名和分支抖動，這些缺陷在一定程度上限制了分支預(yù)測器的性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種多周期取指分支預(yù)測機制及分支別名、抖動優(yōu)化方案，以解決背景技術(shù)中的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種多周期取指分支預(yù)測機制，包括第一級預(yù)測器、第二級預(yù)測器和第三級預(yù)測器；

所述第一級預(yù)測器包括微型分支目標(biāo)緩存器，所述微型分支目標(biāo)緩存器采用寄存器陣列作為存儲單元，并能夠?qū)Ψ种Х较蚝头种繕?biāo)都進(jìn)行預(yù)測；

所述第二級預(yù)測器包括大型分支目標(biāo)緩存器和雙峰表，所述采用SRAM作為存儲單元并支持大范圍目標(biāo)跳轉(zhuǎn)，所述雙峰表對分支方向進(jìn)行預(yù)測；

所述第三級預(yù)測器為TAGE預(yù)測器和循環(huán)預(yù)測器，采用SRAM作為存儲單元并利用全局歷史進(jìn)行預(yù)測；

對于第三級預(yù)測器，還輔以返回地址堆棧RAS和分支譯碼單元進(jìn)行預(yù)測。

可選的，所述第一級預(yù)測器的存儲表項包括標(biāo)記域、飽和計數(shù)器、偏移量以及是否為條件分支指令標(biāo)志；預(yù)測時，是否為條件分支指令標(biāo)志將決定分支方向預(yù)測由飽和計數(shù)器提供還是直接跳轉(zhuǎn)。

可選的，所述第二級預(yù)測器的存儲表項包括標(biāo)記域、偏移量、擴展目標(biāo)地址、是否需要擴展標(biāo)志以及否為條件分支指令標(biāo)志；預(yù)測時，是否為條件分支指令標(biāo)志將決定分支方向預(yù)測由雙峰表的飽和計數(shù)器提供還是直接跳轉(zhuǎn)；是否需要擴展標(biāo)志將決定分支目標(biāo)預(yù)測由擴展目標(biāo)地址緩存直接提供還是由偏移量通過有符號運算得到。

可選的，所述TAGE預(yù)測器包括基準(zhǔn)預(yù)測器和若干個標(biāo)記預(yù)測表，每一個標(biāo)記預(yù)測表的表項由飽和計數(shù)器，標(biāo)記域以及使用度計數(shù)器組成，所述飽和計數(shù)器、所述標(biāo)記域以及所述使用度計數(shù)器的位寬靈活設(shè)置。

可選的，所述第三級預(yù)測器以第二級預(yù)測器的雙峰表為基準(zhǔn)預(yù)測器，并以循環(huán)預(yù)測器對TAGE預(yù)測器預(yù)測的循環(huán)體進(jìn)行輔助修正。

可選的，所述第三級預(yù)測器的最終預(yù)測結(jié)果由分支譯碼單元和返回地址堆棧RAS共同決定。

本發(fā)明還提供了一種分支別名優(yōu)化方案，通過利用Sobel特征提取算子完成對虛擬PC的特征提取，并以特征提取后的值為索引對雙峰表和TAGE預(yù)測器進(jìn)行索引。