[发明专利]一种超前指针法实现前端流水线中指令预取的方法

说明书

本发明公开了前端流水线技术领域的一种超前指针法实现前端流水线中指令预取的方法，该超前指针法实现前端流水线中指令预取的方法如下：在底层硬件通过超前预取指针超前访问cache的tag逻辑实现提前预知cache miss以及预知fetch的pc所要访问的数据在data sram中的具体位置以及超前分支预测提前预知分支跳转，因此可以减少由于分支跳转而擦除icache模块中流水访问的数据，进一步减少了icache的功耗，缩短了前端流水线的流水级数以及当预知icache miss后可以做到真正pc指向miss的cache line之前提前将数据L2调度回来，因此很大程度上减少了前端流水线上由于icache miss造成的流水线bubble，提高了前端流水线的执行效率。

技术领域

本发明公开了一种超前指针法实现前端流水线中指令预取的方法，具体为前端流水线技术领域。

背景技术

由于目前绝大多数关于cpu在体系结构设计中，CPU的前端流水线采用icache和分支预测同时进行的方式，而icache/分支预测无论采用串行或者并行访问，通常需要2-3个时钟的延时，也就是说假设分支指令跳转的情况下，需要在访问完icache和分支预测器之后才能知道指令跳转结果，如果跳转此时需要擦除在这条跳转指令之前访问icache的三级流水，这样势必浪费期间产生的动态功耗，另外当icache发生cache miss时才去访问L2cache，此时的icache缺失代价会使前端流水线产生相应等cycle的bubble，因此需要解决上述问题，需要对icache的tag逻辑在体系结构的算法流程上进行改进，也就是需要一个硬件预取pc对cache的tag index以及分支预测器进行快速访问并将访问的结果存入预取缓存中，当instruction buffer有空闲entry时才基于预取缓冲中取出cache的位置信息访问cache的data ram将数据真正的取出，因此这种方式fetch访问icache只有一级流水，并且由于预取缓存的填充是在分支预测之后，因此真正的icache数据访问已经过滤掉了分支跳转的那些线性访问icache的pc，因此降低了由于分支跳转造成的icache的功耗浪费，综合考虑采用硬件预取pc超前访问解决了传统流水线暴露的三个问题，1.传统pc访问方式icache会由于分支指令跳转造成icache内部指令流水被擦除，因此浪费大量线性访问所做的功，2.分支预测错误造成的代价过大，由于传统设计中为了解决icache miss后需要较长时间才能够将指令从L2cache中取回，因此需要一个较深的instruction buffer，但是代价是一旦发生分支预测错误就需要将前端流水线擦除，因此instruction buffer越深，擦除流水线的代价就越大，造成大量的功耗浪费，而现有方式中由于预取缓存中只有除pc外的额外4个bit的开销就可以等效代替预取缓存中存储的一个line的指令，因此当分支预测错误擦除流水线时也只需要额外擦除这4bit相比于擦除256bit大大节省了功耗开销。3.由于无法预知cache miss因此icache miss会将大量bubble送入前端流水线，影响前端流水线的执行效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超前指针法实现前端流水线中指令预取的方法，以解决上述背景技术中提出的传统pc访问方式icache会由于分支指令跳转造成icache内部指令流水被擦除，分支预测错误造成的代价过大，无法预知cache miss因此icache miss会将大量bubble送入前端流水线，影响前端流水线的执行效率的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超前指针法实现前端流水线中指令预取的方法，该超前指针法实现前端流水线中指令预取的方法如下：

Fetch发送1个节拍的访问模式，连续的采用预取模式访问cache和分支预测器，分支预测器将访问结果以及icache_tag访问结果返回给fetch之后fetch基于访问结果决定下一步操作；

如果分支预测器方向预测不跳转并且cache命中则将分支预测方向结果以及cache_tag命中哪一路的信息以及当前pc写入预取缓存；