随着科学技术的不断发展,高性能处理器在日常生活以及军事领域中发挥着越来越重要的作用。在处理器的发展历程中,人们采用了多种方法提升处理器性能。但截至目前,最为广泛的方法还是提升指令级的并行性。指令间的相关性是影响指令级并行性的主要因素,包括数据相关、结构相关及控制相关。其中数据相关又可分为真数据相关和假数据相关。通过使用寄存器重命名技术能够简单有效地消除指令间的假数据相关关系,挖掘指令间潜在的并行性,使得流水线最大程度的保持一种“充满”的状态,最终达到提升微处理器性能的目的。本论文在研究超标量处理器的基础上,结合寄存器重命名机制的特点,对DSP的指令流水线进行了设计优化,使得指令级并行性得到提升,并能够有效的降低延时、面积和功耗。具体研究工作如下:一、寄存器重命名方案的设计。依据在研乱序超标量处理器的结构,使用统一的PRF进行寄存器重命名,并对寄存器重命名机制的主要模块进行详细讨论。利用重命名映射表及空闲列表,将重命名过程分为读取源寄存器、分配物理寄存器和更新重命名映射表三个部分。二、DSP指令流水线的优化。物理寄存器文件的大小和读写端口的数量决定了寄存器文件的访问时间。基于物理寄存器资源和重命名逻辑在管理和使用方面存在的不足,进行了优化设计。针对物理资源使用浪费的问题,本文设计了物理寄存器的重用技术,并将物理寄存器的分配推迟到指令结果真正占用时,减少了物理寄存器个数和无效占用时间。针对重命名映射表端口利用率不高的问题,降低RAT读端口数量并优化控制逻辑,改善重命名逻辑的面积和访问速度。三、DSP指令流水线的评价。在Simple Scalar模拟器下分别对简单程序和SPEC CPU 2000整数基准程序进行测试。然后分析实验数据并对处理器性能进行评估,确定最终的寄存器的重命名方案。使用Verilog HDL语言完成相关模块的设计,并利用Design Complier等工具进行综合,对比重命名机制改进前后的延时、功耗及面积。实验结果证明,在处理器的IPC损失不到5%的情况下,优化方案能够减少8.5%的延迟时间,39.8%的功耗和65.3%的面积。这就意味着此方案在减少的物理寄存器数量和降低重命名逻辑设计复杂度的同时可以取得更大频率和指令并行度,从而提高了处理器的性能。