[发明专利]一种面向安全防护的分支指令执行方法和电子装置

说明书

本发明公开了一种面向安全防护的分支指令执行方法和电子装置，本发明面向安全防护的分支指令执行方法包括在取指阶段对取得的指令进行预译码确定指令的类型，若指令为非条件分支指令，则在取指阶段提前取出非条件分支指令的操作数并计算出非条件分支指令目标地址，并将非条件分支指令目标地址作为新的程序计数器值；且在下一个周期的取指阶段直接使用所述新的程序计数器值取值。本发明针对确定会跳转的非条件分支指令，采用了提前计算分支目标的方法，避免了跳转指令和调用返回指令被利用进行瞬态执行攻击，避免针对非条件分支指令与条件分支指令一样采用分支预测攻击防御技术带来的性能损失。

技术领域

本发明属于处理器体系结构安全领域，具体涉及一种面向安全防护的分支指令执行方法和电子装置。

背景技术

分支预测技术是现代处理器用于提高程序执行效率的关键性技术，大大降低了由分支指令带来的流水线延迟，高准确度的分支预测可以给处理器带来极大的性能提升。但是近年来曝光出了幽灵(Spectre)系列的漏洞族，显示出典型现代处理器体系结构的设计存在严重的安全问题，对处理器用户产生了极大的安全威胁。幽灵漏洞族利用了对分支预测技术的误导训练，使得处理器推测执行攻击者精心构造的代码序列，非授权访问由各种处理器和操作系统安全机制保护的数据，进而利用高速缓存等侧信道泄露数据。

防御这类攻击最根本的是从源头进行防护，也就是防止被恶意触发推测执行，攻击者就无法成功瞬态执行非授权访问的代码。现有在源头层面对幽灵漏洞进行防御的措施为防止对所有分支指令进行分支预测，在硬件层面主要方法是禁用分支预测，在软件层面主要方法是编译时在分支指令后插入fence指令。这类防御措施等效于在处理器执行到分支指令后暂停流水线，等到确定分支指令分支结果后再执行，这样处理器相当于未采用分支预测技术，导致程序执行效率下降，牺牲了由分支预测技术带来的巨大性能提升，代价较大。然而，分支指令包括条件分支指令和非条件分支指令，非条件分支指令包括跳转(jump)指令和调用(call)返回(return)指令，其中非条件分支指令是确定会跳转的，不加区分对所有的分支指令应用防护措施也带来了一些无意义的性能损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种面向安全防护的分支指令执行方法和电子装置，本发明针对确定会跳转的非条件分支指令，采用了提前计算分支目标的方法，避免了跳转指令和调用返回指令被利用进行瞬态执行攻击，避免针对非条件分支指令与条件分支指令一样采用分支预测攻击防御技术带来的性能高损失。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种面向安全防护的分支指令执行方法，包括：

1)在取指阶段对取得的指令进行预译码确定指令的类型，若指令为非条件分支指令，则跳转执行下一步；

2)在取指阶段提前取出非条件分支指令的操作数并计算出非条件分支指令目标地址，并将非条件分支指令目标地址作为新的程序计数器值；

3)在下一个周期的取指阶段直接使用所述新的程序计数器值取值。

可选地，步骤1)中在取指阶段对取得的指令进行预译码确定指令的类型包括：

1.1)在取指阶段根据程序计数器值从指令缓存中取指令；

1.2)对取得的指令进行预译码；

1.3)判断取得的指令是否为分支指令，若取得的指令为分支指令则跳转执行下一步；

1.4)判断取得的指令是否为分支指令中的非条件分支指令，若取得的指令为非条件分支指令则跳转执行步骤2)。

可选地，步骤1.3)中还包括若取得的指令不是分支指令时，直接将新的程序计数器值赋值为下一条指令的地址，并跳转执行步骤3)的步骤。