A General Low-Cost Indirect Branch Prediction Using Target Address Pointers

Nowadays energy-efficiency becomes the first design metric in chip development. To pursue higher energy efficiency, the processor architects should reduce or eliminate those unnecessary energy dissipations. Indirect-branch pre- diction has become a performance bottleneck, especially for the applications written in object-oriented languages. Previous hardware-based indirect-branch predictors are generally inefficient, for they either require significant hardware storage or predict indirect-branch targets slowly. In this paper, we propose an energy-efficient indirect-branch prediction technique called TAP （target address pointer） prediction. Its key idea includes two parts： utilizing specific hardware pointers to accelerate the indirect branch prediction flow and reusing the existing processor components to reduce additional hardware costs and power consumption. When fetching an indirect branch, TAP prediction first gets the specific pointers called target address pointers from the conditional branch predictor, and then uses such pointers to generate virtual addresses which index the indirect-branch targets. This technique spends similar time compared to the dedicated storage techniques without requiring additional large amounts of storage. Our evaluation shows that TAP prediction with some representative state-of-the-art branch predictors can improve performance significantly over the baseline processor. Compared with those hardware-based indirect-branch predictors, the TAP-Perceptron scheme achieves performance improvement equivalent to that provided by an 8 K-entry TTC predictor, and also outperforms the VPC predictor.     

BTB索引散列算法的研究与设计

分支误预测是影响高性能处理器性能进一步提升的一个主要因素.现代处理器采用分支目标缓存(branch target buffer, BTB)预测分支指令的目标地址,BTB的预测精度受限于其命中率.由于程序中分支指令的分布并不均匀,传统的BTB索引方式无法充分利用BTB资源,从而造成不必要的冲突缺失,影响分支目标地址的预测精度,采用散列索引方式优化访问映射关系是有效解决方法之一.当前大量文献研究了cache的访问方式,但对BTB的散列索引算法的专门探讨则显不足.为了消除分支指令的分布空洞,离散分支指令和BTB条目的固有映射关系,设计了用于BTB索引的XOR散列算法和优化的bit-select索引算法,使用概率方法对BTB单组最大映射数期望的上界作了估计,并对这两种散列索引算法的效果进行了模拟评估.实验结果表明,散列映射方式能够较好地避免BTB冲突缺失造成的预测失败,XOR散列算法的离散效果更好.     

提前分支预测结构及算法研究

在理论上,越来越复杂的分支预测算法和更大的存储结构会使分支预测精度不断提高,但当前复杂算法和庞大数据结构所引发的分支预测时延已无法满足流水线单周期运行要求.针对分支预测精度和时延的矛盾,设计提出提前分支预测结构(ahead branch prediction architecture,ABPA).ABPA为流水线前端取指部件提供简单的分支预测表,以实现快速分支预测;复杂的预测算法和较大的存储结构均被移至流水线后端实现,从而保证了分支预测精度.对于一直难以准确预测的多目标间接分支指令,设计提出基于分支历史和目标路径的间接分支预测算法(indirect branch prediction algorithm based on branch history and target path,BHTP algorithm).提前分支预测算法采用改进的高精度分支预测算法和BHTP算法的混合.嵌入提前分支预测算法的分支预测引擎实现流水线后端的分支推测和目标预测,以及流水线前端的分支预测表更新.实验结果表明：采用ABPA结构和BHTP算法的分支预测系统平均精度达到94.27%.设计不仅实现了快速、高精度分支预测,更为分支预测的深入研究提供了条件.     

反馈式编译优化在转移预测中的研究

处理器性能的发挥常常受到转移指令的限制,所以转移预测的成功与否对于处理器的性能影响至关重要。反馈式编译优化是一种基于程序当前和以前运行时的趋势来改变程序以后执行动作的技术,能够提供给编译器一些有用的优化信息。本文针对ALPHA中的结构特点,利用反馈式编译优化技术,提高了ALPHA中的转移预测命中率,实验结果表明,加速比效果较为明显。     

一种复合分支预测电路的设计与实现

针对现有预测算法仅能精准预测某类程序的缺陷,设计一种复合分支预测电路。该电路组合多种分支预测算法,可以对各种程序进行精准预测,并应用于自主设计的嵌入式微处理器中。性能仿真结果表明,复合分支预测电路对各种程序可以实现高精准预测,并且满足处理器设计的时序要求。     

开源处理器Rocket的分支预测机制与性能评估

Rocket是基于RISC-V指令集架构的开源处理器,具有分支预测功能,其实现了GShare分支预测机制,在分析Rocket处理器分支预测处理过程、分支预测实现原理的基础上,利用模拟器进行了性能测试,并依据测试结果,对Rocket处理器分支预测参数配置给出建议.     

基于历史长度自适应的分支预测方法

通过研究处理器动态分支预测器中预测效率与分支历史长度的关系,针对程序中各分支指令存在不同最优历史长度的规律,提出一种搜索各分支指令最佳历史长度的分支预测方法.该方法通过实时监测分支指令的预测准确率,在分支预测表硬件资源不变的情况下动态调整预测器的历史长度,以适应程序的动态运行特征.实验结果表明,在相同硬件资源下,文中方法相对于Gshare预测器错误率降低15.8%,相对于Bi-mode预测器预测错误率降低10.3%.     

基于跳跃访问控制的低功耗分支目标缓冲器设计

传统的分支目标缓冲器(BTB)每个取指周期都要进行访问,由于程序中的分支指令只占总指令数的20%左右,使得大约80%的BTB访问都是无效的.为此,利用程序控制流中分支指令间距固定的特性,提出一种对性能影响极小的BTB跳跃访问算法.在BTB中存储分支指令到运行路径中下一条分支指令的距离,BTB命中后,根据相应的分支距离来关闭当前分支指令与下一条分支指令之间的BTB访问,以有效地提高访问效率并降低动态功耗.该算法在嵌入式处理器中实现时只控制预测跳转分支指令的BTB跳跃访问,减少了硬件资源的开销.在硬件模型上进行模拟和综合后的结果表明,在128分支项的BTB中,采用文中算法可以降低72%的动态功耗,而性能损失仅为0.013%.     

基于循环体访问过滤的低功耗分支目标缓冲器

分支目标缓存(BTB)是高端嵌入式CPU的主要耗能部件之一。针对BTB访问中引入的冗余功耗问题,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,节省了循环体指令流中顺序指令访问BTB的大量冗余功耗。基于Powerstone基准程序的仿真实验表明,在128表项BTB配置下,二级循环过滤器和4表项分支踪迹表可以减少约71.9%的BTB功耗,而平均每条指令周期数(CPI)退化仅为0.66%。     

一种向分支指令后插入冗余指令的容错微结构

随着深亚微米工艺的广泛应用,瞬态故障已成为芯片失效的主要原因.文中提出了一种向分支指令后插入冗余指令的容错微结构,利用分支误预测浪费的处理带宽,降低了冗余执行导致的性能损失.实验结果表明,该技术的性能损失在6%～31%之间,平均为21%,明显低于MBI技术而和DIE技术的性能损失相当.该技术能够检测流水线上各阶段发生的瞬态故障并能恢复处理器状态,故障检测延时短,需要的硬件开销也较小,非常适合提高带有简单预测机制的嵌入式微处理器的容错能力.     

嵌入式微处理器分支预测的设计与实现

针对五级流水线嵌入式微处理器的特定应用环境,对分支预测技术进行了深入研究,提出了一种新的分支预测方案。该方案兼容带缓存设计,通过扩展指令总线,在取指段提前对分支指令跳转方向和目标地址进行预测,保存可能执行而未执行的指令和地址指针以备分支预测失效时得以恢复,减少了预测失效的代价,同时保证了指令流的正确执行。研究表明,该方案硬件开销小,预测效率高,预测失效代价低。     

移动自组网中基于移动预测和概率的能量有效组播路由算法

移动自组网中节点的使用寿命很大程度上依赖于电池能量的有效利用．通过研究移动节点能量的剩余和使用情况，提出了一种新的关于节点能量估价函数PCF（power cost function）计算方法，能够较好地反映当前节点的能耗值．并且结合PCF提出一种基于移动预测和概率构造能量有效组播树M-REMiT（an algorithm based on mobility prediction and probability for refining energy-efficient multicast tree）的分布式算法，在节点移动的情况下，利用概率优化方法减少一棵组播树的总能量消耗，延长了组播树中每个节点的使用寿命．模拟结果显示这个组播算法比以前相关的算法具有更好的性能．     

一种精确的分支预测微处理器模型

在当今深流水宽发射的微处理器中，为实现高性能，精确的分支预测是不可缺少的关键技术．分支预测失效将浪费大量的时钟周期，无法发挥乱序执行的效能．宽发射微处理器的有效性能同时还依赖指令窗口的大小和指令预取宽度．提出了一种新的更精确的支持分支预测和分支误预测周期损失的微处理器模型．根据指令的执行带宽为指令窗口中可用指令数的平方根统计规律，给出了一个更为精确的描述微处理器取指带宽、分支预测精度、分支误预测周期损失、指令窗口大小和IPC之间关系的算法，并讨论了这些参数的综合权衡以及这些参数对程序IPC的影响．由此可以确定依赖多个微处理器参数的取指带宽阈值和微处理器中几个关键参数的选取．     

间接转移指令在动态二进制翻译器中的预测方法

动态二进制翻译器中间接转移指令的预测优化对其性能至关重要.在研究了动态二进制翻译器的取值信息收集框架后,给出如何在程序运行起始阶段对间接转移指令的目标地址进行取值信息收集的方法,并结合统计原理,提出对目标地址的预测应该结合取值信息进行区间估计.最后,提出了一个基于取值信息收集分析结果进行目标地址预测的优化决策函数并且通过在动态二进制翻译器"IA-32 Execution Layer"上进行实验验证了该决策函数对于间接转移指令预测的效果,并讨论了其准确性和精确度.     

机动目标预测跟踪方法研究

在目标被遮挡条件下的自动预测跟踪中,研究了跟踪机动目标过程中的角位置自适应卡尔曼预测算法。针对估计与预算中出现的发散现象,推导了导引头框架角位置预测方法。建立了目标遮挡预测跟踪测试系统,设计多种不同的目标运动形式,并通过转台实现,测试改进的自适应位置预测算法在典型测试条件下的有效性和准确程度。实验结果表明:当目标进入遮挡区域时,改进的自适应位置预测算法能够有效地实现预测跟踪,保证目标退出遮挡时能够顺利重新捕获和跟踪。     

超标量TURB052嵌入式微处理器结构设计

介绍了TURBO52的研究背景及技术路线,在保持对经典8051指令集后向兼容的前题下,通过重新进行结构设计来提高系统性能。介绍了指令流水线的结构设计,包括两路超标量结构、分支预测、动态执行和存储管理。在FPGA上运行真实控制系统应用程序测试表明,在相同工作频率下运行一系列系统软件可达经典8051的30倍以上,最高指令吞吐率每时钟周期两条指令。但由于未实现三级存储体系和数据高速缓存,工作在100 MHz以上性能的提升会受限。     

直升机着舰实时目标定位姿态预测仿真

直升机着舰需要精确定位机舰相对位置,但海浪运动和光照情况复杂,对目标的检测定位十分困难,导致直升机着舰安全性难以保证,因此对目标实现精确的实时定位姿态预测有重要作用。首先,设计易于识别检测的合作目标,保证在各种角度下有效识别,以应对复杂的海浪运动;然后采用可变阈值分割,自适应多种光照条件。之后对于单目视觉下得到的连续帧图像进行图像处理,获取特征点数据,满足实时性要求。最后利用EPnP算法进行2D-3D场景重建,为直升机着舰提供实时的相对位姿信息,并利用增强现实技术显示,帮助驾驶员准确操作。通过理论分析和计算机半实物仿真,所提方法可以在不同光照不同角度下实现精度较高的姿态预测。上述仿真为直升机着舰视觉引导提供了一种新的解决思路。     

中等职业教育规模的神经网络预测

伴随着我国社会经济的飞速发展,我国的职业教育也进入了一个改革和发展的时期。但对职业教育的规模国内却很少有分析研究。运用人工神经网络的方法,可以发现隐藏在数据之间的规律并建立模型。本文首先简要介绍了人工神经网络的主要特征及其应用领域,然后着重阐述了ADALINE(简称线性网络)的算法和学习规则,接着运用MATLAB神经网络工具箱的线性网络模型对上海市1980年至今的职业教育规模进行分析,在比较了不同的输入向量个数对预测结果的影响后,又比较了不同训练样本个数对预测结果的影响。最后得出结论:相对于输入向量个数而言,训练样本数对预测准确性的影响更大。