[发明专利]一种指令预取过滤方法

说明书

本发明涉及一种指令预取过滤方法，在指令缓存和下一级存储系统之间设置指令预取过滤装置，所述指令预取过滤装置包括若干条目的过滤缓冲，其中，每个条目的过滤缓冲对应一个基本页面，用于记录并追踪所述基本页面中已装入指令缓存的Cache行；每次指令流预取时直接查询所述指令预取过滤装置，以检验所预取的Cache行是否已经在指令缓存中，然后根据查询结果决定是否向下一级存储系统发出指令预取请求。本发明可以避免指令预取查询与其他指令缓存相关操作争用端口，提升指令缓存利用率，进而提升处理器性能。

技术领域

本发明涉及现代微处理器设计技术领域，特别是涉及一种指令预取过滤方法。

背景技术

现代高性能处理器中指令缓存是一种关键资源，取指流水线的设计主要围绕指令缓存进行。为提高指令缓存利用率，减少取指查询缺失，常采用指令预取技术将即将要用到的指令Cache行提前装入到指令缓存中。发出预取请求前首先要确定预取的Cache行是否已经在指令缓存中，因此需要使用预取地址查询指令缓存，若要预取的Cache行已被装入则不用发出预取请求。

高性能处理器中指令缓存容量较大，常采用定制阵列实现，指令Tag和指令数据因作用不同而划分为两个阵列，但读写端口数均有限。由于取指查询处于指令流水线关键路径上，每个周期都需要取指查询，而且高性能处理器通常要求指令数据的读取在1个周期内完成，因此取指查询常设置有专用端口，以保证取指查询不被干扰或者打断。除取指查询之外，指令缓存还要能同时处理一致性请求、预取查询、指令装填(写)、刷新等操作，这些操作相对取指查询而言不频繁，因此共用1个端口。为保证正常完成指令缓存的功能，预取查询的处理优先级最低，因此当出现指令缓存端口冲突时，可能无法发出预取请求，从而无法充分利用预取提升指令缓存的命中率。

综上所述，指令预取的处理受限于指令缓存的端口数，当和其他高优先级的请求冲突时不得不放弃预取。由于逻辑实现代价和物理实现开销方面的考虑，为指令Cache增设端口的做法并不合算。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种指令预取过滤方法，避免预取查询与其他指令缓存操作争用端口，提升指令缓存利用率，进而提升处理器性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种指令预取过滤方法，在指令缓存和下一级存储系统之间设置指令预取过滤装置，所述指令预取过滤装置包括若干条目的过滤缓冲，其中，每个条目的过滤缓冲对应一个基本页面，用于记录并追踪所述基本页面中已装入指令缓存的Cache行；每次预取时直接查询所述指令预取过滤装置，以检验所预取的Cache行是否已经在指令缓存中，然后根据查询结果决定是否向下一级存储系统发出指令预取请求。

所述每个条目的过滤缓冲设置有效位、虚拟页面基址、物理页面基址、进程号和线程号；每个条目的过滤缓冲还设置Cache行有效位向量作为页面中已装入的Cache行的指示标记，基本页面中的Cache行与有效位指示向量一一对应。

当触发指令预取时，使用预取页面基址查询所述指令预取过滤装置，若命中表示该页面已被装入，此时再用页内偏移值查看Cache行有效位向量，若该Cache行已被装入，不用发出预取，否则发出预取；若不命中，则该Cache行不在指令缓存中，发出预取；当预取发出时，根据之前的查询结果更新所述指令预取过滤装置的状态，若命中则将命中条目对应偏移处的Cache行有效位置起，否则分配一个新的过滤缓冲条目并置起对应位置的Cache行有效位，表示该Cache行已被装入。

在指令预取查询不命中时，预取目标所在基本页面尚未被装入，若操作系统使用基本页面，且所述指令预取过滤装置缓冲深度和指令流TLB条目数相同时，利用指令预取过滤装置的查询结果进行指令流页表预取；若操作系统使用大页或者指令预取过滤缓冲深度小于指令流TLB条目数时，使用所述指令预取过滤装置的预取查询结果作为触发指令流页表条目预取的条件。