S e q u e nti al R e gist er R e n a mi n g

D ej a n S p as o v F a c ult y of C o m p ut er S ci e n c e a n d E n gi n e eri n g, S k o pj e, R e p u bli c of N ort h M a c e d o ni a

d ej a n.s p as o v @fi n ki. u ki m. m k

A bstr a ct – R e gist e r r e n a mi n g u nit is a b ottl e n e c k i n t h e s u p e rs c al a r c o r es b e c a us e it li mits t h e n u m b e r of i nst r u cti o ns a n d t h e n u m b e r of t h r e a ds t h at m a y c o n c u r r e ntl y b e p r o c ess e d . W e p r o p os e a r e gist e r r e n a mi n g u nit wit h li n e a r c o m pl e xit y wit h r es p e ct t o t h e n u m b e r of i nst r u cti o ns si m ult a n e o usl y r e n a m e d . T h e p r o p os e d r e n a mi n g u nit r e n a m es s o u r c e o p e r a n ds i n a s e q u e nti al m a n n e r f oll o wi n g t h e p r o g r a m o r d e r of t h e i nst r u cti o ns. W e s h o w t h at i n w o rst c as e s e q u e nti al r e gist e r r e n a mi n g m a y f oll o w c o nt e m p o r a r y t r e n ds wit h r es p e ct t o t h e n u m b e r of i nst r u cti o ns a n d t h e n u m b e r of t h r e a ds t h at m a y b e si m ult a n e o usl y r e n a m e d .

K e y w or ds – r e gist er r e n a mi n g ; s u p ers c al ar mi cr o pr o c ess or ; mi cr o ar c hit e ct ur e ; r e gist er ali as t a bl e; pi p eli ni n g.

I. IN T R O D U C TI O N

I n or d er t o i m pr o v e t h e i nstr u cti o ns-p er -c y cl e (I P C) r at e, m o d er n s u p ers c al ar c or es ar e pr o c essi n g m or e t h a n o n e i nstr u cti o n p er cl o c k c y cl e at a n y st a g e of c o m p ut ati o n. I nstr u cti o ns m a y b e e x e c ut e d o ut of pr o gr a m or d er a n d r es ults m a y b e st or e d i n p h ysi c al r e gist ers of t h e c or e. T his a p pr o a c h eli mi n at es f als e d at a d e p e n d e n ci es ( W A R a n d W A W) a m o n g i nstr u cti o ns a n d all o ws e x e c uti o n of i nstr u cti o ns o ut of pr o gr a m or d er. A r e gist er r e n a mi n g u nit is n e e d e d t o m ai nt ai n tr u e ( R A W) d at a d e p e n d e n ci es b et w e e n i nstr u cti o ns w aiti n g f or e x e c uti o n a n d r es ults st or e d i n t h e p hysi c al r e gist ers.

F i g. 1 s h o ws a mi cr o ar c hit e ct ur e of a c or e of a s u p ers c al ar mi cr o pr o c ess or. T h e c or e m a y i n cl u d e f et c h u nit, d e c o d e u nit, r e n a mi n g u nit, r e or d er b uff er, o n e or m or e p h ysi c al r e gist er fil e s ( P R F), dis p at c h u nit, r es er v ati o n st ati o ns ( R S), a n d e x e c uti o n u nits ( E U) [ 1]. T h e c or e m a y i n cl u d e ot h er c o m p o n e nts a n d i nt erf a c es n ot s h o w n o n fi g. 1. T h e c or e m a y s u p p ort m ulti pl e i nstr u cti o n iss u e, i n-or d er a n d o ut -of -or d er e x e c uti o n, a n d si m ult a n e o us m ultit hr e a di n g, w h er e i nstr u cti o ns fr o m o n e or m or e t hr e a ds m a y si m ult a n e o usl y b e pr o c ess e d.

T h e f et c h u nit is c o nfi g ur e d t o f et c h i nstr u cti o ns fr o m m e m or y or L 1 c a c h e . Instr u cti o ns m a y b e fr o m a n y i nstr u cti o n s et ar c hit e ct ur e, e. g. P o w er P C ™, A R M ™, S P A R C ™, x 8 6 ™, et c. I nstr u cti o ns c o m pris e s o ur c e a n d d esti n ati o n o p er a n ds. I nstr u cti o n s et ar c hit e ct ur e s d efi n e a s et of ar c hit e ct ur al r e gist ers , w hi c h ar e us e d t o d e n ot e s o urc e a n d d esti n ati o n o p er a n ds of t h e i nstr u cti o ns. T h e c o m pil er us es a r c hit e ct ur al r e gist ers t o m ai nt ai n tr u e d at a d e p e n d e n ci es b et w e e n t h e i nstr u cti o n pr o d u c er of a r es ult a n d i nstr u cti o ns c o ns u m ers of t h e r es ult. T h e f et c h u nit m a y i n cl u d e a br a n c h pr e di ct or t o pr e di ct t h e br a n c h t h at will b e

t a k e n w h e n a br a n c h i nstr u cti o n is e x e c ut e d. R es p o nsi v e t o a br a n c h pr e di cti o n, t h e f et c h u nit m a y s p e c ul ati v el y f et c h i nstr u cti o ns fr o m t h e pr e di ct e d br a n c h.

T h e d e c o d e u nit m a y b e c o nfi g ur e d t o o ut p ut d e c o d e d i nstr u cti o ns or i nstr u cti o n ( mi cr o-) o p er ati o ns. T h es e d e c o d e d i nstr u cti o ns m a y b e e x e c ut e d b y t h e e x e c uti o n u nits. I n s u p ers c al ar c or es , d e c o d e u nits ar e c o nfi g ur e d t o si m ult a n e o usl y o ut p ut a r e n a mi n g gr o u p of n i nstr u cti o ns d e n ot e d wit h I( 1) t o I( n). O ut p utt e d i nstr u cti o ns I( 1) t o I( n) ar e c o nsi d er e d t o b e i n pr o gr a m or d er, w h er e I( 1) is t h e ol d est i nstr u cti o n i n t h e gr o u p. I nstr u cti o ns i n cl u d e s o ur c e o p er a n ds ( S O P) a n d d esti n ati o n o p er a n ds ( D O P) i d e ntifie d wit h ar c hit e ct ur al r e gist ers 0, 1, …, L, s u c h t h at s o ur c e o p er a n ds of i nstr u cti o ns c o ns u m ers of a r es ult ar e e q u al t o a d esti n ati o n o p er a n d of a n i nstr u cti o n pr o d u c er of t h e r es ult.

T h e r e or d er b uff er m ai nt ai n s i n-or d er r etir e m e nt of t h e i nstr u cti o ns; th us, s u p p orti n g o ut of ( pr o gr a m) or d er e x e c uti o n of i nstr u cti o ns . F or e a c h i nstr u cti o n t h e r e or d er b uff er all o c at es a n e ntr y. I nstr u cti o ns e nt er at o n e e n d of t h e b uff er a n d e xit ( r etir e) at t h e ot h er e n d . I nstr u cti o ns m a y b e e x e c ut e d o ut of pr o gr a m or d er b ut r etir e d i n pr o gr a m or d er. R e or d er b uff er e ntri es ar e or g a ni z e d as cir c ul ar b uff er, w h er e a dj a c e nt, i n pr o gr a m or d er, i nstr u cti o ns all o c at e e ntri es wit h a dj a c e nt a d dr ess es.

T h e c or e m a y i n cl u d e a pl ur alit y of p h ysi c al r e gist ers or g a ni z e d i n o n e or m or e p h ysi c al r e gist er fil es ( P R F). P h ysi c al r e gist ers of t h e c or e st or e s p e c ul ati v e r es ults a n d ar c hit e ct ur all y visi bl e r es ults. T h e c or e m a y e m pl o y st a n d -al o n e a d dr essi n g s c h e m e f or t h e p h ysi c al r e gist ers, or p h ysi c al r e gist ers m a y a d o pt t h e a d dr essi n g s c h e m e of t h e r e or d er b uff er.

T h e fr e e list m ai nt ai ns a list of p h ysi c al r e gist ers t h at m a y b e all o c at e d t o i nstr u cti o ns wit h d esti n ati o n o p er a n ds. F or e a c h i nstr u cti o n wit h d esti n at i o n o p er a n d, t h e fr e e list F u n d e d b y a pr oj e ct fr o m t h e F a c ult y of C o m p ut er S ci e n c e a n d

E n gi n e eri n g, S s. C yril a n d M et h o di u s U ni v er sit y .

Fi g ur e 1. Mi cr o ar c hit e ct ur e of s u p er s c al ar c or e

Rena

ming

Unit

P R F

R e or d er B uff er

Decod

ing

Unit

Fetc

h Unit I( 1)

I( n)

. . .

. . .

Disp

atch. . .

R S E U

R S E U

Fr e eLis t

MIPRO 2020/MEET 125

is c o nfi g ur e d t o all o c at e a p h ysi c al r e gist er. T his w a y d esti n ati o n o p er a n ds ar e r e n a m e d a n d f als e d at a d e p e n d e n ci es a m o n g i nstr u cti o ns ar e r e m o v e d .

T h e r e n a mi n g u nit is c o nfi g ur e d t o r e n a m e ( m a p) s o ur c e o p er a n ds of i nstr u cti o ns c o ns u m ers of a r es ult t o t h e p h ysi c al r e gist er all o c at e d t o t h e i nstr u cti o n pr o d u c er of t h e r es ult. A s o ur c e o p er a n d of a n i nstr u cti o n is r e n a m e d t o t h e p h ysi c al r e gist er m ost r e c e ntl y all o c at e d t o i nstr u cti o n wit h d esti n ati o n o p er a n d e q u al t o t h e s o ur c e o p er a n d.

E x e c uti o n u nits ( E U) m a y i n cl u d e a n y n u m b er a n d t y p e of e x e c uti o n u nits, e. g. i nt e g er u nit s, fl o ati n g-p oi nt u nit s, l o a d/st or e u nit, br a n c h u nits, et c., c o nfi g ur e d t o e x e c ut e i nstr u cti o ns. I nstr u cti o ns m a y b e e x e c ut e d i n-or d er or o ut -of -or d er. O n e or m or e r es er v ati o n st ati o ns ( R S) m a y b e i n cl u d e d wit hi n t h e e x e c uti o n u nits ( E U), w h er e i nstr u cti o ns m a y b e w aiti n g t o b e s e nt t o t h e e x e c uti o n u nits. T h e dis p at c h u nit is c o nfi g ur e d t o dis p at c h i nstr u cti o ns t o t h e r es er v ati o n st ati o ns.

T h e r e m ai n d er of t h e p a p er is or g a ni z e d as f oll o ws: r e gist er r e n a mi n g is i ntr o d u c e d i n S e cti o n II, li mit ati o ns of c o nt e m p or ar y r e gist er r e n a mi n g u nits ar e o utli n e d i n S e cti o n III, n o v el r e gist er r e n a mi n g t e c h ni q u es t h at o v er c o m e t h es e li mit ati o ns ar e pr o p os e d i n S e cti o n I V, h ar d w ar e c o m pl e xit y of t h e pr o p os e d r e gist er r e n a mi n g u nits is gi v e n i n S e cti o n V, d el a y esti m at es ar e c o m p ut e d i n S e cti o n VI, r el at e d w or k is pr es e nt e d i n S e cti o n VII. T h e p a p er c o n cl u d e s wit h S e cti o n VIII.

II. R E GI S T E R R E N A MI N G

S u p ers c al ar c or es i n cl u d e a r e n a mi n g u nit w h er e s o ur c e o p er a n ds of i nstr u cti o ns ar e r e n a m e d t o p h ysi c al r e gist ers. S o ur c e a n d d esti n ati o n o p er a n ds ar e ar c hit e ct ur al r e gist ers, s u c h t h at s o ur c e o p er a n ds of i nstr u cti o ns c o ns u m ers of a r es ult m ust b e e q u al t o t h e d esti n ati o n o p er a n d of t h e i nstr u cti o n pr o d u c er of t h e r es ult. F or e a c h i nstr u cti o n wit h d esti n ati o n o p er a n d , a p h ysi c al r e gist er is all o c at e d . A s o ur c e o p er a n d of a n i nstr u cti o n is r e n a m e d t o t h e p h ysi c al r e gist er m ost r e c e ntl y all o c at e d t o i nstr u cti o n wit h d esti n ati o n o p er a n d e q u al t o t h e s o ur c e o p er a n d.

M ost r e c e ntl y all o c at e d p h ysi c al r e gist ers , i n d e x e d b y t h e arc hit e ct ur al r e gist ers, ar e k n o w n as ar c hit e ct ur al t o p h ysi c al r e gist er m a p pi n gs . A r c hit e ct ur al t o p h ysi c al r e gist er m a p pi n gs m a y b e st or e d i n a m a p pi n g t a bl e (fi g. 2) . T h e m a p pi n g t a bl e i n cl u d es o n e r e a d p ort f or e a c h s o ur c e o p er a n d a n d o n e writ e p ort f or e a c h d esti n ati o n o p er a n d. I n a s c al ar c or e, so ur c e o p er a n ds of a n i nstr u cti o n ar e r e n a m e d t o p h ysi c al r e gist ers fr o m t h e m a p pi n g t a bl e at i n d e x es pr o vi d e d b y t h e s o ur c e o p er a n ds. Aft er s o ur c e o p er a n ds of t h e i nstr u cti o n ar e r e n a m e d, p h ysi c al r e gist er all o c at e d t o t h e i nstr u cti o n is st or e d i n t h e m a p pi n g t a bl e.

T h e m a p pi n g t a bl e m a y b e i m pl e m e nt e d wit h c o nt e nt a d dr ess a bl e m e m or y ( C A M) , w h er e m a p pi n g t a bl e e ntri es

ar e i n d e x e d wit h p h ysi c al r e gist er i d e ntifi ers. E x a m pl es of mi cr o pr o c ess ors wit h C A M -b as e d m a p pi n g t a bl es ar e t h e Al p h a 2 1 2 6 4 mi cr o pr o c ess or [ 2] a n d t h e P o w er 4 mi cr o pr o c ess or [ 3].

T h e m a p pi n g t a bl e m a y b e i m pl e m e nt e d wit h S R A M c ells . E ntri es of t h e S R A M -b as e d m a p pi n g t a bl e ar e i n d e x e d wit h ar c hit e ct ur al r e gist ers. P h ysi c al r e gist ers m a y s h ar e s a m e a d dr ess s c h e m e wit h r es er v ati o n st ati o n e ntri es, as i n t h e S yst e m/ 3 6 0 [ 4]. P h ysi c al r e gist ers m a y s h ar e s a m e a d dr ess s c h e m e wit h r e or d er b uff er e ntri es, a s i n t h e P e nti u m III pr o c ess ors , or m a y us e st a n d-al o n e a d dr ess s c h e m e, as i n t h e N et b urst mi cr o ar c hit e ct ur e [ 5]. M o d er n mi cr o ar c hit e ct ur es e m pl o y st a n d -al o n e a d dr ess s c h e m e f or t h e p h ysi c al r e gist ers.

Fi g. 3 s h o ws b asi c b uil di n g bl o c ks of a r e gist er r e n a mi n g u nit i n a s u p ers c al ar mi cr o pr o c ess or. T h e r e gist er r e n a mi n g u nit is c o nfi g ur e d t o si m ult a n e o usl y r e n a m e s o ur c e a n d d esti n ati o n o p er a n ds i n a r e n a mi n g gr o u p of t w o or m or e i nstr u cti o ns. T h e r e n a mi n g u nit i n cl u d es m a p pi n g t a bl e, o p er a n d c o m p ar e u nit, o p e r a n d o v erri d e u nit, a n d pri orit y writ e l o gi c. W h e n r e n a mi n g s o ur c e o p er a n ds of i nstr u cti o ns i n a gr o u p, an i nstr u cti o n m a y b e d at a -d e p e n d e nt o n a n ot h er i nstr u cti o n fr o m t h e s a m e gr o u p (i ntr a-gr o u p d e p e n d e n c y) or fr o m a n ot h er gr o u p (i nt er -gr o u p d e p e n d e n c y).

T h e m a p pi n g t a bl e m ai nt ai ns ar c hit e ct ur al t o p h ysi c al r e gist er m a p pi n gs fr o m pri or gr o u p of i nstr u cti o ns; t h us, h a n dli n g t h e i ntr a-gr o u p d e p e n d e n ci es. T h e o p er a n d c o m p ar e u nit a n d o p er a n d -o v erri d e h a n dl e i nt er -gr o u p d e p e n d e n ci es. T h e pri orit y writ e u nit h a n dl es pri orit y writ es t o t h e m a p pi n g t a bl e.

A r e n a mi n g gr o u p of n i nstr u cti o ns I( 1), I( 2), …, I( n), m a y b e pr o vi d e d t o t h e r e gist er r e n a mi n g u nit (fi g. 3). A n i nstr u cti o n I(i) m a y b e c o nsi d er e d ol d er t h a n a n i nstr u cti o n I(j) if i <j. E a c h i nstr u cti o n, e. g. I(i), m a y b e c o nsi d er e d t o i n cl u d e a d esti n ati o n o p er a n d D O P(i), a n d a s o ur c e o p er a n d S O P(i). F or e a c h i nstr u cti o n I(i) wit h d esti n ati o n o p er a n d D O P(i) , a p h ysi c al r e gist er P R(i) is all o c at e d. T h e m a p pi n g t a bl e c o m pris es pl ur alit y of r e a d p orts , c o u pl e d t o r e c ei v e s o ur c e o p er a n ds S O P(i) . F or e a c h s o ur c e o p er a n d S O P(i), t h e m a p pi n g u nit is c o nfi g ur e d t o o ut p ut p h ysi c al r e gist er st or e d at i n d e x S O P(i). T h e o p er a n d c o m p ar e u nit is c o nfi g ur e d t o c o m p ar e e a c h s o ur c e o p er a n d S O P(i) wit h d esti n ati o n o p er a n ds of ol d er i nstr u cti o ns D O P( 1), …, D O P(i -1). If a m at c h is f o u n d, e. g. S O P(i) = D O P(j), t h e o p er a n d o v erri d e u nit is c o nfi g ur e d t o o ut p ut P R(j) ; t h us, r e n a mi n g t h e s o ur c e o p er a n d S O P(i). If a m at c h is n ot f o u n d, t h e o p er a n d o v erri d e u nit is c o nfi g ur e d t o o ut p ut

Fi g ur e 2. R e gi st er r e n a mi n g u nit of a s c al ar mi cr o pr o c e s s or

Fi g ur e 3 . R e gist er r e n a mi n g u nit of a s u p er s c al ar mi cr o pr o c e s s or

M a p pi n gT a bl e

W

R

M a p pi n gT a bl e

Pri orit yWrit e

O p er a n dO v erri d e

O p er a n dC o m p ar e

R

W

S o ur c e O p er a n ds

D e sti n ati o n O p er a n ds

All o c at e dP h ysi c alR e gist er s

126 MIPRO 2020/MEET

p h ysi c al r e gist er st or e d i n t h e m a p pi n g t a bl e at i n d e x S O P(i).

T h e pri orit y writ e u nit is c o nfi g ur e d t o c o m p ar e e a c h d esti n ati o n o p er a n d D O P(i) wit h d esti n ati o n o p er a n ds of ol d er i nstr u cti o ns D O P( 1), …, D O P(i -1). If a m at c h is n ot f o u n d, P R(i) is st or e d i n t h e m a p pi n g t a bl e at i n d e x D O P(i).

III. P R O B L E M S T A T E M E N T

F or a r e n a mi n g gr o u p of n i nstr u cti o ns, t h e r e gist er r e n a mi n g u nit m a y i n cl u d e n writ e p orts a n d 2 n ( or e v e n 3 n) r e a d p orts t o t h e m a p pi n g t a bl e . E a c h r e a d p ort is c o u pl e d t o r e c ei v e a s o ur c e o p er a n d fr o m t h e gr o u p. E a c h writ e p ort is c o u pl e d t o r e c ei v e a d esti n ati o n o p er a n d fr o m t h e gr o u p. T h e m a p pi n g t a bl e m a y b e i m pl e m e nt e d as a m ulti -p ort e d S R A M. Di e ar e a of m ulti -p ort e d S R A M s gr o ws q u a dr ati c all y wit h t h e n u m b er of p orts. P o w er c o ns u m pti o n a n d p o w er d e nsit y of t h e S R A M m e m or y ar e pr o p orti o n al t o t h e di e ar e a.

T h e pri orit y writ e u nit m a y i n cl u d e !

"# ( # − 1 )

c o m p ar at ors t o c o m p ar e e a c h d esti n ati o n o p er a n d wit h d esti n ati o n o p er a n ds of ol d er i nstr u cti o ns fr o m t h e gr o u p. T h e o p er a n d c o m p ar e u nit m a y i n cl u d e # ( # − 1 ) c o m p ar at ors t o c o m p ar e e a c h s o ur c e o p er a n d wit h d esti n ati o n o p er a n ds of ol d er i nstr u cti o ns i n t h e gr o u p.

T h er ef or e, it m a y b e c o n cl u d e d t h at di e ar e a , wiri n g c o m pl e xit y, p o w er c o ns u m pti o n , a n d p o w er d e nsit y of t h e r e gist er r e n a mi n g u nit o n fi g. 3 gr o w q u a dr ati c all y wit h r es p e ct t o t h e n u m b er of i nstr u cti o ns i n t h e r e n a mi n g gr o u p. M or e o v er, i n si m ult a n eo us m ultit hr e a di n g, a s e p ar at e r e gist er r e n a mi n g u nit is n e e d e d f or e a c h t hr e a d.

I V. P R O P O S E D S O L U TI O N

Fi g. 4 s h o ws a r e gist er r e n a mi n g u nit c o m prisi n g a m a p pi n g t a bl e, o p er a n d c o m p ar e u nit, o p er a n d o v erri d e u nit, a n d a s eri al cir c uit. T h e r e gist er r e n a mi n g u nit i n cl u d es o n e writ e p ort a n d 2 n + 1 r e a d p orts t o t h e m a p pi n g t a bl e. T h e s eri al cir c uit r e pl a c es t h e pri orit y writ e l o gi c a n d n -1 writ e p orts t o t h e m a p pi n g t a bl e.

Fi g. 5 s h o ws t h e pri n ci pl e of o p er ati o n of t h e s eri al cir c uit. T h e s eri al cir c uit is c o u pl e d t o a r e a d p ort of t h e m a p pi n g t a bl e t o r e c ei v e ar c hit e ct ur al t o p h ysi c al r e gist er m a p pi n gs. T h e s eri al cir c uit c o m pris es n u p d at e u nits c o u pl e d i n a c h ai n. Ar c hit e ct ur al t o p h ysi c al r e gist er m a p pi n gs pr o p a g at e t hr o u g h t h e c h ai n of u p d at e u nits o v er b us li n es d e n ot e d wit h ar c hit e ct ur al r e gist ers 0 t o L . A b us li n e d e n ot e d wit h ar c hit e ct ur al r e gist er I m a y b e c o nsi d er e d t o pr o p a g at e p h ysi c a l r e gist er all o c at e d t o i nstr u cti o n wit h

d esti n ati o n o p er a n d I. E a c h u p d at e u nit is c o u pl e d t o r e c ei v e d esti n ati o n o p er a n d D O P(i) a n d all o c at e d p h ysi c al r e gist er P R(i) of a n i nstr u cti o n I(i). E a c h u p d at e u nit is c o nfi g ur e d t o u p d at e ar c hit e ct ur al t o p h ysi c al r e gist er m a p pi n gs wit h t h e m a p pi n g D O P(i) t o P R(i). T h e first u p d at e u nit , c o u pl e d t o t h e m a p pi n g t a bl e , is c o nfi g ur e d t o o ut p ut P R( 1) o n a b us li n e d e n ot e d wit h D O P( 1). T h e s e c o n d u p d at e u nit , c o u pl e d t o t h e first u p d at e u nit , is c o nfi g ur e d t o o ut p ut P R( 2) o n a b us li n e d e n ot e d wit h D O P( 2), et c.

T h e c h ai n of u p d at e u nits s e q u e nti all y, i n pr o gr a m or d er, i ns erts all o c at e d p h ysi c al r e gist ers P R( 1), P R( 2), …, P R( n) o n b us li n es d e n ot e d wit h D O P( 1), D O P( 2), …, D O P( n), r es p e cti v el y. T h e l ast u p d at e u nit is c o u pl e d t o t h e m a p pi n g t a bl e t o writ e u p d at e d ar c hit e ct ur al t o p h ysi c al r e gist er m a p pi n gs.

Fi g. 6 s h o ws a n u p d at e u nit. T h e u p d at e u nit is c o u pl e d t o r e c ei v e ar c hit e ct ur al t o p h ysi c al r e gist er m a p pi n gs o n t h e b us li n es d e n ot e d wit h 0 t o L. B us li n es 0 t o L ar e t er mi n at e d at 2-i n-1 m ulti pl e x ers. T h e o t h er i n p ut o n t h e 2-i n-1 m ulti pl e x ers is c o u pl e d t o r e c ei v e a p h ysi c al r e gist er P R all o c at e d t o a n i nstr u cti o n wit h d esti n ati o n o p er a n d D O P . A d e c o d er is c o u pl e d t o r e c ei v e d esti n ati o n o p er a n d D O P. O ut p ut si g n al li n es of t h e d e c o d er ar e c o u pl e d as s el e cti o n c o ntr ol t o t h e 2 -i n-1 m ulti pl e x ers. M ulti pl e x ers ar e c o nfi g ur e d t o o ut p ut ar c hit e ct ur al t o p h ysi c al r e gist er m a p pi n gs o n t h e b us li n es d e n ot e d as 0’ t o L’. T h e u p d at e u nit is c o nfi g ur e d t o o ut p ut P R o n a b us li n e d e n ot e d wit h D O P. T h e r e m ai ni n g b us li n es ar e c o nfi g ur e d t o o ut p ut p h ysi c al r e gist er r e c ei v e d fr o m t h e c o u pl e d i n p ut b us li n e.

Fi g. 7 s h o ws f urt h er i m pr o v e d r e gist er r e n a mi n g u nit. T h e r e gist er r e n a mi n g u nit i n cl u d es a m a p pi n g t a bl e, a s eri al cir c uit, a n d r e n a mi n g m ulti pl e x ers. T h e m a p pi n g t a bl e is o p er at e d as r e gist er wit h o n e writ e p ort a n d o n e r e a d p ort . A s eri al cir c uit c o m prisi n g a c h ai n of u p d at e u nits is c o u pl e d t o t h e m a p pi n g t a bl e. Ar c hit e ct ur al t o p h ysi c al r e gist er m a p pi n gs pr o p a g at e fr o m t h e m a p pi n g t a bl e t hr o u g h t h e u p d at e u nits o v er d e di c at e d b us li n es. R e n a m e m ulti pl e x ers ar e c o u pl e d t o t h e c h ai n of u p d at e u nits.

A n u p d at e u nit m a y b e c o nfi g ur e d t o o ut p ut P R(i -1) o n a b us li n e d e n ot e d wit h D O P(i -1). A r e n a m e m ulti pl e x er m a y b e c o u pl e d t o t h e u p d at e u nit. S o ur c e o p er a n d S O P(i) of a n i nstr u cti o n I(i) m a y b e pr o vi d e d as s el e cti o n c o ntr ol t o t h e m u lti pl e x er. T h e m ulti pl e x ers is c o nfi g ur e d t o o ut p ut p h ysi c al r e gist ers pr o p a g ati n g o n t h e b us li n es d e n ot e d wit h S O P(i) ; t h us, r e n a mi n g t h e s o ur c e o p er a n d S O P(i) t o a p h ysi c al r e gist er .

Fi g ur e 5. S eri al cir uit

Fi g ur e 4. R e gi st er r e n a mi n g u nit wit h o n e writ e p ort a n d 2 n + 1 r e a d p ort s t o t h e m a p pi n g t a bl e

S eri al Cir c uit

...U p d at eU nit

D O P( 1)P R( 1)

U p d at eU nit

D O P( n)P R( n)

M a p pi n gT a bl e

R

0 0 0 0

L L L L...... ... ...

W

M a p pi n gT a bl e

S eri alCir c uit

O p er a n dO v erri d e

O p er a n dC o m p ar e

R

W

S o ur c e O p er a n ds

D e sti n ati o n O p er a n ds

All o c at e dP h ysi c alR e gist er s

MIPRO 2020/MEET 127

V. H A R D W A R E C O M P L E XI T Y

H ar d w ar e c o m pl e xit y of t h e r e gist er r e n a m e u nit o n fi g. 4 is q u a dr ati c ( ( # " ) wit h r es p e ct t o t h e si z e n of t h e r e n a mi n g gr o u p. T h e s eri al cir c uit o n fi g. 5 is c o nfi g ur e d t o u p d at e ar c hit e ct ur al t o p h ysi c al m a p pi n gs i n a s e q u e nti al m a n n er. T h er ef or e, t h e r e gist er r e n a m e u nit o n fi g. 4 d o es

n ot n e e d t h e pri orit y writ e u nit wit h !

"# ( # − 1 )

c o m p ar at ors . H o w e v er, t his r e gist er r e n a mi n g u nit still m ai nt ai ns t h e o p er a n d o v erri d e u nit wit h a q u a dr ati c n u m b er of c o m p ar at ors a n d 2 n + 1 r e a d p orts t o t h e m a p pi n g t a bl e als o wit h q u a dr ati c c o m pl e xit y.

H ar d w ar e c o m pl e xit y of t h e r e gist er r e n a m e u nit o n fi g. 7 is li n e ar ( ( # ) wit h r es p e ct t o t h e si z e of t h e r e n a mi n g gr o u p # . F or e a c h i nstr u cti o n i n t h e r e n a mi n g gr o u p, t his r e gist er r e n a mi n g u nit r e q uir es o n e u p d at e u nit a n d t w o r e n a m e m ulti pl e x ers.

T h e r e gist er r e n a m e u nit o n fi g. 7 als o d o es n ot n e e d t h e

pri orit y writ e u nit wit h !

"# ( # − 1 ) c o m p ar at ors . M or e o v er,

t his r e gist er r e na m e u nit d o es n ot n e e d t h e o p er a n d c o m p ar e u nit a n d t h e o p er a n d o v erri d e u nit. T h e m a p pi n g t a bl e is o p er at e d as r e gist er wit h o n e r e a d p ort a n d o n e writ e p ort. Usi n g a r e gist er i nst e a d of a t a bl e r e d u c es wiri n g c o m pl e xit y ( bit li n es), t h e n u m b er of cir c uit ri es f or pr e-c h ar g e, t h e n u m b er of s e ns e a m plifi ers, a n d t h e n u m b er of writ e dri v ers. T h er ef or e, n o n e of t h e b uil di n g bl o c ks of t h e r e gist er r e n a m e u nit o n fi g. 7 is wit h q u a dr ati c c o m pl e xit y.

VI. D E L A Y E S TI M A T E

F or a r e n a mi n g gr o u p of n i nstr u cti o ns, t h e pr o p os e d r e n a mi n g u nits c o nsists of a c h ai n of n u p d at e u nits c o nsisti n g of 2 -i n-1 m ulti pl e x ers. T h er ef or e, t h e criti c al p at h of t h e pr o p os e d r e n a mi n g u nits is a c h ai n of # 2 -i n-1 m ulti pl e x ers. T h e 2 -i n-1 m ulti pl e x er s m a y b e i m pl e m e nt e d wit h tr a ns missi o n g at es [ 6]. H e n c e , t h e criti c al p at h i n t h e s eri al cir c uit is a c h ai n of # tr a ns missi o n g at es. Ass u mi n g i d e al b us li n es, th e d el a y of a c h ai n of # i d e nti c al tr a ns missi o n g at es c a n b e esti m at e d usi n g t h e El m or e a p pr o xi m ati o n

* + = 0 .6 9 1 2 3 4

# ( # + 1 )

2 (1 )

I n [7 ], it h as b e e n r e p ort e d t h at f or a c h ai n of tr a ns missi o n g at es El m or e a p pr o xi m ati o n ( 1) c orr es p o n ds

t o si m ul at e d d el a y wit h S PI C E si m ul at ors. M or e o v er, c o nsi d eri n g i d e al b us li n es a n d r e n a m e m ulti pl e x ers i m pl e m e nt e d wit h a d e c o d er a n d tr a ns missi o n g at es c o u pl e d t o t h e b us li n es , t h e El m or e d el a y a p pr o xi m ati o n ( 1) c a n b e a p pli e d e v e n t o t h e r e n a mi n g u nit o n fi g. 7 .

T a bl e I s u m m ari z es esti m at e d d el a y s f or diff er e nt pr o c ess t e c h n ol o gi es. V al u es f or t h e r esist a n c e a n d t h e c a p a cit a n c e ar e t a k e n fr o m [ 6] a n d [ 7]. M o d er n s u p ers c al ar c or es ar e c o nfi g ur e d t o si m ult a n e o usl y r e n a m e u p t o fi v e or si x i nstr u cti o ns. T a bl e I s u g g ests t h at pr o p os e d r e n a mi n g u nits c a n r e a c h t h e r e n a mi n g c a p a cit y of fi v e or si x i nstr u cti o ns, w hil e m ai nt ai ni n g t h e d el a y r e q uir e m e nt f or hi g h cl o c k fr e q u e n ci es .

It m a y b e o bs er v e d t h at t h e pr o p os e d r e n a mi n g u nits c a n b e c o nfi g ur e d t o r e n a m e m or e t h a n si x i nstr u cti o ns. F or e x a m pl e , us i n g diff er e nt pr o c ess t e c h n ol o g y ( e. g. 7 n m), usi n g r e p e at ers e v er y t hr e e or f o ur g at es [ 6], usi n g t a p ere d tr a ns missi on g at es [ 8], et c. H o w e v er, t h e si z e of t h e r e n a mi n g gr o u p is d et er mi n e d n ot o nl y b y t h e c a p a cit y of t h e r e n a mi n g u nit, b ut als o b y d esi g n c h oi c es i n t h e f et c h u nit, t h e d e c o d e u nit , a n d t h e dis p at c h u nit. T h us, a n y i n cr e as e of t h e r e n a mi n g gr o u p r e q uir es car ef ul r e d esi g n of t h e e ntir e c or e. Tr a ns missi o n g at es ( or e v e n p ass tr a nsist ors) i n t his c o nt e xt off er s m all est di e ar e a a n d p o w er s a vi n g.

VII. R E L A T E D W O R K

C o m pl e xit y , p o w er d e nsit y, a n d p o w er c o ns u m pti o n ar e m aj or w e a k n ess es of t h e r e gist er r e n a mi n g u nits. I n or d er t o o v er c o m e t h es e w e a k n ess es, s e v er al t e c h ni q u es h a v e b e e n pr o p os e d. I n g e n er al, t h es e t e c h ni q u es f o c us o n r e d u ci n g t h e n u m b er of p orts t o t h e m a p pi n g t a bl e a n d a d di n g a d diti o n al m e m or y ( c a c h es) t o r eli e v e t h e pr ess ur e o n t h e m a p pi n g t a bl e.

I n [9 ], M os h o v os st u di es t h e a v er a g e n u m b er of o p er a n ds i n t h e S P E C 2 0 0 0 b e n c h m ar k pr o gr a ms a n d i n m ulti m e di a a p pli c ati o ns. M os h o v os pr o p os e d a r e d u cti o n o n t h e n u m b er of r e a d p orts at t h e c ost of a n e gli g e nt sl o w d o w n of t h e i nstr u cti o n -p er -c y cl e p erf or m a n c e.

I n [1 0 ], a m e c h a nis m is pr o p os e d t o r e d u c e p o w er c o ns u m pti o n. I n p arti c ul ar, if a s o ur c e o p er a n d d e p e n ds o n a d esti n ati o n o p er a n d fr o m t h e s a m e r e n a mi n g gr o u p, r e a d p ort f or t h at s o ur c e o p er a n d is t ur n e d off. M or e o v er, t h e a ut h ors pr o p os e b uff eri n g of t h e r e n a m e d d esti n ati o n o p er a n ds i n a s m all n u m b er of l at c h es; t h us, r e d u ci n g t h e pr ess ur e o n t h e m a p pi n g t a bl e.

I n [1 1 ], E. S afi, et al. pr o p os e t w o-st a g e pi p eli n e d r e gist er r e n a mi n g t e c h ni q u e. Pri orit y writ e u nit, o p er a n d

Fi g ur e 6. U p d at e u nit

Fi g ur e 7. R e gi st er r e n a mi n g u nit wit h o n e writ e p ort a n d o n e r e a d p ort t o t h e m a p pi n g t a bl e

D O P

0

L

. . .

P R

U p d at e U nit

0 L

0’

L’

. . .

D e c o d er

. . .

. . . S eri al Cir c uit

...U p d at eU nit

U p d at eU nit

U p d at eU nit

M a p pi n gT a bl e

R

W

S O P( 2)S O P( 1) S O P( 3)

128 MIPRO 2020/MEET

c o m p ar e u nit a n d o p er a n d o v erri d e u nit ar e pl a c e d i n o n e of t h e pi p eli n e st a g es w hil e r e a di n g a n d writi n g t o t h e m a p pi n g t a bl e i n t h e ot h er pi p eli n e st a g e.

I n [1 2 ], S. P etit et al. us e R A M-b as e d a n d C A M -b as e d t a bl es t o p erf or m w h at t h e y c all h y bri d r e n a mi n g at t h e e x p e ns e of i n cr e as e d p o w er dissi p ati o n.

I n [1 3 ], [1 4 ], t e c h ni q u es f or c a c hi n g r e n a m e d o p er a n ds h a v e b e e n pr o p os e d .

VIII. C O N L U SI O N

M o d er n st at e -of -t h e-art mi cr o pr o c ess or ar c hit e ct ur es ar e d esi g n e d t o si m ult a n e o usl y r e n a m e u p t o fi v e or si x i nstr u cti o ns p er c y cl e . W e h a v e pr o p os e d r e gist er r e n a mi n g u nits t h at c a n r e n a m e fi v e t o si x i nstr u cti o ns, w hil e m ai nt ai ni n g d el a y r e q uir e m e nts f or hi g h cl o c k fr e q u e n ci es.

Pr o p os e d r e n a mi n g u nit s ar e c o nfi g ur e d t o r e n a m e s o ur c e o p er a n ds i n s e q u e nti al m a n n er. S e q u e nti al m a n n er r e q uir es l ess h ar d w ar e. L ess h ar d w ar e i m pli es s m all er di e ar e a, r e d u c e d p o w er c o ns u m pti o n , a n d p o w er d e nsit y. M or e o v er, t h e pr o p os e d r e n a mi n g u nits c a n b e i m pl e m e nt e d wit h tr a ns missi o n g at es or p ass tr a nsist ors t o f urt h er r e d u c e di e ar e a a n d p o w er c o ns u m pti o n.

W e b eli e v e t h at t h e pr o p os e d r e gist er r e n a mi n g u nit m a y gi v e d esi g n er s o p p ort u nit y t o i n cr e as e t h e wi dt h # of t h e r e n a mi n g gr o u p, or t o i n cr e as e t h e n u m b er of t hr e a ds p er c or e i n si m ult a n e o us m ulti -t hr e a di n g, or t o r e d u c e t h e n u m b er of pi p eli n e st a g es . Ulti m at el y, t his m a y i m pr o v e t h e i nstr u cti o ns p er c y cl e (I P C) r at e of t h e mi cr o pr o c ess ors.

R E F E R E N C E S

[ 1] J. E. S mit h, a n d G. S. S o hi, “ T h e mi cr o ar c hit e ct ur e of s u p er s c al ar

pr o c e s s or s , ” Pr o c e e di n g s of t h e I E E E , V ol . 8 3, I s s u e 1 2, p p. 1 6 0 9 – 1 6 2 4 , 1 9 9 5 .

[ 2] R. K e s sl er, “ T h e Al p h a 2 1 2 6 4 mi cr o pr o c e s s or, ” I E E E Mi cr o, v ol. 1 9, n o. 2, p p. 2 4 – 3 6, 1 9 9 9.

[ 3] T. N. B uti, R. G. M c D o n al d, Z. K h w aj a, A. A m b e k ar, H . Q. L e, W. E. B ur k y, B. Willi a m s, “ O r g a ni z ati o n a n d i m pl e m e nt ati o n of t h e r e gist er-r e n a mi n g m a p p er f or o ut-of -or d er I B M P O W E R 4 pr o c e s s or s , ” I B M J o ur n al of R e s e ar c h a n d D e v el o p m e nt, V ol . 4 9, I s s u e 1 , p p. 1 6 7 - 1 8 8, 2 0 0 5 .

[ 4] R. M. T o m a s ul o , “A n effi ci e nt al g orit h m f or e x pl oiti n g m ulti pl e arit h m eti c u nits , ” I B M J o ur n al of R e s e ar c h a n d D e v el o p m e nt , V ol. 1 1, N o. 1 , p p. 2 5-3 3, 1 9 6 7.

[ 5] G. Hi nt o n, D. S a g er, M. U pt o n, D. B o g g s, D. C ar m e a n, A. K y k er, P. R o u s s el, “ T h e Mi cr o ar c hit e ct ur e of t h e P e nti u m ® 4 Pr o c e s s or , ” I nt el T e c h n ol o g y J o ur n al, 2 0 0 1.

[ 6] N. H. E. W e st e, a n d D. M. H arris, “ C M O S V L SI D e si g n: A Cir c uit s a n d S y st e m s P er s p e cti v e, ” 4t h E diti o n, P e ar s o n/ A d dis o n -W e sl e y, 2 0 1 1 .

[ 7] J . M. R a b a e y, A . C h a n dr a k a s a n, B . Ni k oli c , “Di git al I nt e gr at e d Cir c uit s , ” 2 n d e diti o n , P e ar s o n, 2 0 0 3 .

[ 8] B. D. A n dr e e v, E. Titl e b a u m, a n d E. G. Fri e d m a n , “ T a p er e d tr a n s mi s si o n g at e c h ai n s f or i m pr o v e d c arr y pr o p a g ati o n, ” i n T h e 2 0 0 2 4 5t h Mi d w e st S y m p o si u m o n Cir c uit s a n d S y st e m s, p p. 4 4 9 -4 5 2, T ul s a, O K, U S A, 2 0 0 2.

[ 9] A . M o s h o v o s , “P o w er -a w ar e R e gist er R e n a mi n g , ” T e c h ni c al R e p ort , C o m p ut er E n gi n e eri n g Gr o u p , U ni v er sit y of T or o nt o, 2 0 0 2.

[ 1 0] G. K u c u k, O. Er gi n, D. P o n o m ar e v , a n d K. G h o s e , “ R e d u ci n g p o w er di s si p ati o n of r e gi st er ali a s t a bl e s i n hi g h -p erf or m a n c e pr o c e s s or s, ” I E E Pr o c.-C o m p ut. Di git. T e c h., V ol. 1 5 2, N o. 6, N o v e m b er 2 0 0 5, p p. 7 3 9 -7 4 6.

[ 1 1] E. S afi, A. M o s h o v o s, a n d A. V e n eri s, “ T w o -St a g e, Pi p eli n e d R e gi st er R e n a mi n g, ” I E E E Tr a n s a cti o n s o n V er y L ar g e S c al e I nt e gr ati o n ( V L SI) S y st e m s, V ol. 1 9, I s s. 1 0, p p. 1 9 2 6 – 1 9 3 1, 2 0 1 1.

[ 1 2] S. P etit, R. U b al, J. S a h u q uill o, P. L ó p e z, “ Effi ci e nt R e gi st er R e n a mi n g a n d R e c o v er y f or Hi g h -P erf or m a n c e Pr o c e s s or s, ” I E E E Tr a n s a cti o n s o n V er y L ar g e S c al e I nt e gr ati o n ( V L SI) S y st e m s, V ol. 2 2, I s s. 7, p p. 1 5 0 6 – 1 5 1 4, 2 0 1 4.

[ 1 3] S. V aj a p e y a m a n d T. Mitr a, “I m pr o vi n g s u p er s c al ar i n str u cti o n di s p at c h a n d i s s u e b y e x pl oiti n g d y n a mi c c o d e s e q u e n c e s, ” i n Pr o c. of t h e I nt. S y m p. o n C o m p ut er Ar c hit e ct ur e, 1 9 9 7, p p. 1 – 1 2.

[ 1 4] R. S hi o y a , a n d H. A n d o, “ E n er g y Effi ci e n c y I m pr o v e m e nt of R e n a m e d Tr a c e C a c h e t hr o u g h t h e R e d u cti o n of D e p e n d e nt P at h L e n gt h, ” 2 0 1 4 I E E E 3 2 n d I nt er n ati o n al C o nf er e n c e o n C o m p ut er D e si g n (I C C D), 2 0 1 4 .

T A B L E I. E S TI M A T E D D E L A Y F O R P R O C E S S T E C H N O L O GI E S

Pr o c ess t e c h. [ n m] 2 5 0 6 5 R e q [ kW ] 8 5 C [f F] 3. 6 0. 2

N u m. of st a g es [ n] 5 6 tp [ p S] 2 9 8 1 4

MIPRO 2020/MEET 129