一种gshare分支预测器的低功耗设计方法

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1、武萌，沈海斌(浙江大学电气工程学院超大规模集成电路设计研究所，浙江杭州310027)摘要：功耗与性能在高端嵌入式计算系统中都是非常重要的设计指标。基于深度流水处理器中所使用的动态分支预测器的微结构特点，提出了一种利用分页技术來有效的降低gshare分支预测器的功耗的设计方法，详细分析了分支预测器的大小、分页数以及功耗、面积之间的内在关系。关键词：分支预测器；低功耗；嵌入式处理器中图分类号：TP302文献标识码：A文章编号：1000-7180(2007)03-0200-03ALow-powerDesignforgshareBra

2、nchPredictorWUMeng,SHENHai-bin(InstituteofVLSIDesign,CollegeofElectricEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract：Powerandperformanceareboththeimportantdesignissuesinhigh-endembeddedcomputingsystem・Basedonthemicroarchitectureofdynamicbninchpredictor

3、usedindeep-pipelinedprocessorthispaperproposesimethodtoreducethepowerofgsharebranchpredictorusingbankingtechniqueandexplorestherelationshipamon^predictor'ssize,numberofbanksandpredictor'sarea/povver.Keywords:Branchpredictor;Lo^power;EmbeddedProcessor1引言随着嵌入式处理器的应用领域

4、不断向新的高度发展，嵌入式处理器的性能越來越受到重视。泮袭着通用处理器的发展路线，提高时钟频率和流水线深度是目前高性能嵌入式处理器设计的通用方法。深度流水线必须解决“控制相关”问题，而分支预测技术正是解决这个问题的成熟方法，但是以往的嵌入式处理器设计并没有采用分支预测技术或者仅仅采用了静态的分支预测机制。近些年來这一设计思路正逐渐改变，以Intel的XScale为代表笊高性能处理器，为减少控制相关所带来的性能按失，己经开始使用了更加先进的动态分支预测拽术。目前通用处理器领域应用较为广泛的动态分支预测技术有：Bimodal预测器

5、'、两级自适应预测器,2gshare预测器

6、3Hybrid预测器帆习等。高准确度的分支预测器可以有效地减少由于分支预测铠误所造成的流水线清空，从而减少无效功耗，但羽测准确度与硕件复杂度之间的折衷又是嵌入式処理器所必须考虑的，一些研究表明gshare预测器在这方面是非常优秀的6儿收稿日期:2006-02-25本文着眼于性能、功耗、硅面积等方面设计指标，针对嵌入式领域的特点，提出了一种应用分页(banking)技术对gshare预测器的电路进行低功ft设计的方法，并通过对不同的分页方法进行比较三分析以获得相对最优功耗设计。2g

7、share分支预测算法gshare算法通过将分支地址的n-bit和m-bi统一的全局分支历史移位寄存器(GBHSR.GlobaBranchHistoryShiftRegister)进行杂凑(Hash)运算(即“位异或”运算),所得结果用来索引2mK,mn,>2伯的模式表(PHT,PatternHistoiyTable)并选中一个袂位分支预测符进行分支预测(如图1所示)，而模式表屮的每一个项即为一个两位饱和计数器。Index=GBHSR!PCgshare分支预测器是由ScottMcFarling提出的0001m丿GBHSRzTa

8、ken1PC亠XOR►10Max(m.n}11图1分支预测机制一个非常高效的关联分支预测机制，它只使用了一个统一的m位GBHSR和一个很小的PHT结构就可以获得同其他关联分支预测器相当的预测精度。gshare是一种改进的两级GAg/GAs预测器，传统的GAg/GAs通过拼接GBHSR和PC來防止“别名冲突”，但这样做会带来模式表利用率不高的问题，因而也限制了GBHSR的大小。gshare通过将二者进行位异或（XOR）操作来解决别名冲突的问题，提高了模式表的利用率，使得GBHSR可以更大，从而可以在更大的范围内发掘跳转指令之间的

9、相关性，提高分支预测的准确度。gshare预测机制于1993年被提出来，后来在SunUltraSPARC-III处理器中获得了成功应用，当今许多更复杂的混合分支预测机制中也都使用了gshare算法。MatthewR.Guthaus161等人在对嵌入式基准测评程用集MiBenc