嵌入式CPU流水线退休机制研究

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指令退休机制作为处理器流水线的最后一级,指令退休效率直接关系着流水线的执行效率。本文通过研究指令的退休机制和重排序缓存的使用效率,分别提出了一种指令快速退休的ROB方案和基于投机执行的两级退休机制。  针对超标量处理器中长延时的指令长时占用重排序缓存的顶端引起流水线退休缓慢的问题,提出了一种将无异常风险的指令快速退休并将运算结果乱序回写的高效退休机制。该方案将结果缓存器与重排序缓存分离,其中结果缓存器作为运算结果回写的缓存器,重排序缓存负责指令按序退休与精确异常的维护。重排序缓存单元在确认指令不会发生异常后,将指令从重排序缓存中快速退休,结果缓存器继续等待结果并进行乱序回写。实验结果表明,在硬件资源相同的情况下,通过提高重排序缓存器的使用效率,基于该方案的处理器相比于传统的按序退休处理器的性能平均提高24.0%。  针对超标量处理器中指令长时间占用重排序缓存引起指令退休缓慢的问题,提出了一种基于投机执行的两级退休机制。该方案根据指令有无异常和预测错误风险将指令分为有风险指令和无风险指令,对重排序缓存进行轻量化改进,只有存在异常和预测风险的指令才允许进重排序缓存,在确认风险消除后将指令快速退休。重命名寄存器从重排序缓存分离,负责寄存器重命名和结果乱序回写。实验结果表明,在硬件资源相同的情况下,基于该方案的处理器比传统的按序退休处理器的性能平均提高28.8%-57.3%。
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