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利用流聚合实现指令复用，提升网络处理应用加速效果

1. 引言

网络处理器单元（NPU）是专门用于执行通信和数据包处理功能的可编程引擎，能支持多种标准和服务质量（QoS）要求。随着网络速度的提升以及在网络内进行更多计算的需求增加，NPU 的处理负担日益加重。因此，需要开发新的方案来加速数据包处理任务，同时将功耗控制在合理范围内。

动态指令复用（IR）是一种通过减少动态执行指令数量来提高应用程序执行时间的微架构技术。研究表明，许多指令会使用相同的输入重复执行，从而产生相同的输出。动态指令复用方案将指令缓存在复用缓冲区（RB）中，当未来出现相同输入操作数的指令时，可直接使用 RB 中的结果，避免重复计算。

本文主要探讨整数 ALU 和加载指令在数据包处理应用中的指令复用问题，旨在确定 IR 是否是 NPU 设计中可行的优化方案，并评估其能带来的性能提升。具体研究的问题包括：能否通过减少复用缓冲区中的干扰来提高 IR？网络应用的哪些特性可用于提升 IR？IR 对资源争用和内存访问有何影响？

2. 动态指令复用原理

动态指令复用通过将指令及其操作数和结果存储在 RB 中，实现指令结果的复用。RB 包含标签、输入操作数、结果、地址和 memvalid 字段。当指令解码时，其操作数值会与 RB 中存储的值进行比较，若匹配则认为该指令可复用，直接使用 RB 中的结果，无需重新计算。

复用测试可与指令解码和寄存器读取阶段并行进行，且由于对 RB 的访问可进行流水线操作，复用测试通常不会成为关键路径。标签匹配可在指令获取阶段启动，而对 RB 操作数字段的访问需在操作数寄存器读取后开始。

对于加载指令，若指令操作数与