嵌入式处理器取指单元关键部件低功耗技术的研究 (1)

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1、摘要低功耗是嵌入式处理器的主要研究方向，而取指单元包含大量存储器访问，其功耗已经成为整个处理器功耗的重要组成部分。本文重点研究了嵌入式处理器取指单元关键部件的低功耗技术．这些创新技术的应用能够使嵌入式CPU在保持处理器性能的基础上，有效降低取指单元动态功耗．本文的主要内容及创新点包括：1、基于指令历史链接关系的路预测高速缓存低功耗技术．本文提出了一种基于分支目标缓存(BTB)复用和跳转历史链接关系表的两级跳转路预测架构，以极低的硬件成本解决了分支目标指令所在行的冲突问题，提高了跳转预取路预测的准确率，进而有效降低了

2、指令Cache的动态功耗．2、基于循环体访问过滤的分支目标缓存低功耗技术。针对循环体内指令对BTB访问产生的冗余功耗问题，本文提出了一种循环体访问过滤机制，消除循环体指令流中顺序指令对BTB的无效访问；进一步提出了一种分支跟踪方法补偿由于循环过滤机制对循环体中非循环类分支指令的错误过滤造成的性能损失．这两种技术在保障处理器性能的基础上降低了BTB的动态功耗．本文提出的低功耗技术设计简单、硬件成本低，对嵌入式处理器取指单元低功耗设计具有积极意义．关键词-取指单元、低功耗、指令高速缓存、分支目标缓存、路预测、循环过滤、

3、分支跟踪IIAbstractLow。poweristhekeyresearchingaspectforembeddedCPUwhilethepowerconsumedbytheinstructionfetchingunitcontributesagreatdealtothetotalCPU’Spowerduetoitsnumerousmemoryaccess．Inthisthesisweproposedseveralinnovationsonthelow—powerdesignofthemostpower-hung

4、rycomponentsininstructionfetchingunitandachievedsignificantpowerreductionwhilemaintainingCPU’Sperformance．Themaincontentandinnovationsofthethesisinclude：1．Instructionlinkhistorybasedwaypredictionalgorithmforlow-powerCachedesign．Weproposedatwo-levelbranchwaypre

5、dicationarchitectureconsistedbyareusedBTBandonebranchlinkhistorytabletoresolvetheproblemofcachelineconflicts．Bythemethod,weimprovedtheaccuracyofwaypredictionforbranchpre-fetchingandreducedthedyIlarnicpoweroftheinstructionCachewhileonlycostlitilehardwareresourc

6、e．2．hopaccessfilteringbasedlow·powerbranchtargetbuffer．InordertoreducethepowerdissipationofBTB，weproposedaloopaccessfilteringmechanismtoeliminatetheredundantBTBoperationforsequentialinstructionsinloops．Furthermore，weproposedabranchtracingmethodtocompensatethep

7、erformancepenaltyduetotheover-filteringofthefilteringmechanismforthosenon—loopbranches．ThesetwomethodsachievedmagnificentpowerreductionfortheBTBwhileonlybroughtlittleperformanceloss．Techniquesproposedinthethesisarebasedonsimplearchitecturemodificationandlittle

8、hardwarecostandhassomepositivemeaningstothelowpowerdesignofembeddedCPUs．KeyWords：instructionfetchingunit，lowpower,instructionCache，branchtargetbuffer,wayprediction，loopfiltering，br