基于MIPS处理器的分支预测机制的研究与设计

发布时间：2020-11-11 03:52

　　 随着应用对微处理器性能要求的提高，微处理器设计技术不断进步，流水线变得越来越宽，越来越深。流水线技术的应用从本质上提高了微处理器的性能，成为现代微处理器的基本特征。但指令流分支行为的不确定性影响了流水线性能的充分发挥，分支预测技术的出现在很大程度上解决了这一问题，良好的分支预测技术能有效地提高微处理器的取指效率，是微处理器性能提升的基本保证。因而，自上个世纪九十年代以来，分支预测技术一跃成为了微处理器领域研究的热点及难点，一直以来，人们都在研究更加有效的分支预测结构，尽量减小由分支预测失效所带来的性能损失。 本文首先介绍分支预测算法的国内外现状，接下来对基于软硬件的静态分支预测“猜测法”等进行研究，并结合目前较为流行的典型动态分支预测技术的现状，重点分析了动态分支预测的原理、实现方式。文中根据MIPS处理器的特点，通过对MIPS指令集和其五级流水线结构的介绍使得对其分支预测原理及硬件机构有了一个清晰的认识。在此基础上详细分析开源超标量模拟器SimpleScalar，它是易于扩充修改的、具有5级流水的RISC体系结构的CPU模型。通过分析模拟器的体系结构框架，就移植的过程实例及移植过程中的难点问题和优化等技术问题进行了深入的探讨，并将MPIS体系结构成功移植到SimpleScalar上，实现其多级分支预测机制。仿真试验采用SPEC95中的测试程序进行测试，通过分析统计工具sim-profile分析分支预测机制的性能优劣，针对存在问题，改进分支预测策略，通过对比分析得出改进的分支预测策略具有较高命中率。 本文结合目前研究热点问题，将MIPS体系结构移植到SimpleScalar模拟器中，设计并模拟实现了一种具有较高命中率的分支预测策略，并通过软件测试的手段验证该机制的合理性与可行性，为今后在此方面的进一步研究奠定了良好的基础。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2007
【中图分类】：TP332
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 概述
    1.2 国内外研究现状
    1.3 论文的主要工作
        1.3.1 了解MIPS体系结构
        1.3.2 研究分支预测技术
        1.3.3 分析模拟器结构
        1.3.4 具体的研究步骤
    1.4 论文的章节安排
第2章 基于MIPS的分支预测原理及硬件机构
    2.1 MIPS的设计特点
    2.2 分支预测机制的基本原理
    2.3 多级分支预测
        2.3.1 分支指令预测
        2.3.2 多级自适应分支预测结构
    2.4 硬件机制
    2.5 本章小结
第3章 静态分支预测
    3.1 软件"猜测法"
    3.2 硬件"猜测法"
    3.3 两个指令缓冲栈
    3.4 完美循环退出预测
    3.5 返回地址堆栈
    3.6 本章小结
第4章 动态分支预测
    4.1 典型的动态分支预测技术
        4.1.1 一位/两位分支预测（Bimod）
        4.1.2 基于相关的分支预测
    4.2 预测算法的改进
    4.3 分支预测模型
    4.4 在指令Cache中记录转移历史信息
    4.5 转移目标地址缓冲栈
    4.6 转移目标指令缓冲栈
    4.7 混合分支预测策略B2L
    4.8 本章小结
第5章 基于SimpleScalar模拟器的仿真实现
    5.1 SimpleScalar总体介绍
        5.1.1 SimpleScalar模拟器的软件架构
        5.1.2 SimpleScalar虚拟资源部件
    5.2 SimpleScalar中的分支预测
        5.2.1 分支预测的各参数定义
        5.2.2 函数的声明
    5.3 基于SimpleScalar模拟器的仿真实现
        5.3.1 模拟器中的工具集
        5.3.2 SimpleScalar模拟程序的流程
        5.3.3 部分编码设计
        5.3.4 仿真实验结果
    5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
致谢
个人简历

【引证文献】

相关博士学位论文 前1条

1 李静梅;多核处理器的设计技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

相关硕士学位论文 前1条

1 焦平;基于数据重用机制的超标量处理器分支预测研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

本文编号：2878703