專利名稱：微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微處理器體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，特別涉及到一種微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測
處理系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的微處理器體系中，跳轉(zhuǎn)指令給微處理器的設(shè)計帶來許多挑戰(zhàn)。例如對于有流水結(jié)構(gòu)的微處理器而言，當微處理器在執(zhí)行一段有跳轉(zhuǎn)指令的程序時，若遇到跳轉(zhuǎn)指令，那么最早可能確定跳轉(zhuǎn)指令是否跳轉(zhuǎn)以及跳轉(zhuǎn)目標地址的流水級是譯碼階段，例如直接跳轉(zhuǎn)(jump)指令。 但是對大部分跳轉(zhuǎn)指令而言，一般要等到執(zhí)行階段完成后才能確定跳轉(zhuǎn)指令的跳轉(zhuǎn)方向以及跳轉(zhuǎn)目標地址。而在這個時候后續(xù)的指令可能已經(jīng)從內(nèi)存中取出，更有甚者已經(jīng)開始執(zhí)行，因此當跳轉(zhuǎn)指令最終確定跳轉(zhuǎn)時，這些已取得的指令或者已經(jīng)執(zhí)行的指令都需要被取消，微處理器需要從跳轉(zhuǎn)指令正確的目標地址重新獲取指令并執(zhí)行下去。這將大大地降低了微處理器性能。 因此在現(xiàn)有的微處理器設(shè)計中，大都采用不同的方法來處理跳轉(zhuǎn)指令，從而提高處理器性能。 其中，現(xiàn)有技術(shù)公開一種通用的處理跳轉(zhuǎn)指令的方法是分支預測方法，該方法當遇到跳轉(zhuǎn)指令時，微處理器采用特定的方式預測跳轉(zhuǎn)指令的方向(比如，對條件分支而言預測其跳轉(zhuǎn)與否)，或者預測跳轉(zhuǎn)指令的目標地址(例如對間接跳轉(zhuǎn)指令以及程序返回指令而言，預測其跳轉(zhuǎn)的目標地址)。微處理器根據(jù)預測的結(jié)果來推測執(zhí)行程序，在跳轉(zhuǎn)指令的結(jié)果最終解決之前這些指令從內(nèi)存中取出然后送入流水線中執(zhí)行。如果分支預測正確，那么處理器的性能將得到提高。這是因為在跳轉(zhuǎn)指令的結(jié)果最終解決之前，這些分支跳轉(zhuǎn)指令之后的指令已經(jīng)開始執(zhí)行(不管是跳轉(zhuǎn)目標地址，還是跳轉(zhuǎn)指令的后續(xù)指令)。然而若分支預測錯誤，這些推測執(zhí)行的指令將會被取消。 但對于超標量處理器結(jié)構(gòu)，如MIPS結(jié)構(gòu)的微處理器而言，取消這些指令將會增加處理器的設(shè)計復雜度。 同時，現(xiàn)有技術(shù)的這種分支預測方法對于MIPS結(jié)構(gòu)的微處理器而言，由于MIPS指令集規(guī)定所有的跳轉(zhuǎn)指令都必須有延遲槽指令，因此還需要處理延遲槽指令等，從而帶來更復雜的問題。 所謂延遲槽指令是指緊跟在跳轉(zhuǎn)指令后的那個指令。 在MIPS結(jié)構(gòu)的微處理器中，對于大部分跳轉(zhuǎn)指令而言不管跳轉(zhuǎn)指令最終是否跳轉(zhuǎn)，它對應的延遲槽指令都必須執(zhí)行，但是對于跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branchlikely)指令而言，延遲槽指令最終是否執(zhí)行是根據(jù)跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)指令的跳轉(zhuǎn)方向來定。只有當這條跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)指令跳轉(zhuǎn)時，延遲槽的指令才會被執(zhí)行；否則，延遲槽的指令不需要執(zhí)行。因此對于MIPS指令集而言，對于不同的跳轉(zhuǎn)指令，延遲槽指令需要區(qū)分處理。
由于除了跳轉(zhuǎn)指令不可以作為延遲槽指令外，其他任意類型的指令都可做延遲槽指令，因此定位延遲槽指令以及根據(jù)延遲槽指令對應的跳轉(zhuǎn)指令來決定是否取消延遲槽指令，使得現(xiàn)有分支預測方法更加復雜，現(xiàn)有的分支預測方法不適合于超標量處理器結(jié)構(gòu)的微處理器，特別是MIPS結(jié)構(gòu)的微處理器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理系統(tǒng)和方法，其使得
微處理器的分支預測方法更加簡單，從而提高微處理器的性能。 為實現(xiàn)本發(fā)明目的而提供的一種微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理系統(tǒng)，包括譯碼模塊和發(fā)射模塊。 所述譯碼模塊包括分支預測器，用于在所述譯碼模塊通過預譯碼判斷出待處理指令是跳轉(zhuǎn)指令，以及跳轉(zhuǎn)指令的類型后，根據(jù)該待處理的跳轉(zhuǎn)指令是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行類型，而采用靜態(tài)預測或者動態(tài)預測方法進行預測，然后將該待處理跳轉(zhuǎn)指令及其延遲槽指令按照指令在程序中的次序直接寫入操作隊列項； 所述發(fā)射模塊包括預測結(jié)果處理器，用于在跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行完并寫回到所述發(fā)射模塊后，在所述分支預測器對跳轉(zhuǎn)指令的預測錯誤時，取消錯誤執(zhí)行的指令且從正確的跳轉(zhuǎn)方向繼續(xù)取指；在取消指令時，根據(jù)是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，采取不同的取消方法進行取消操作。 較優(yōu)地，所述根據(jù)該待處理的跳轉(zhuǎn)指令是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行類型，而采用靜態(tài)預測或者動態(tài)預測方法進行預測，是指 根據(jù)待處理的跳轉(zhuǎn)指令的類型，如果是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，則對該待處理的跳轉(zhuǎn)指令采用靜態(tài)預測方法預測，并且預測其跳轉(zhuǎn)；否則，如果是其他非跳轉(zhuǎn)執(zhí)行的跳轉(zhuǎn)指令，則采用動態(tài)預測方法進行預測。 較優(yōu)地，所述根據(jù)是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，采取不同的取消方法進行取消操作，是指 如果分支預測錯的跳轉(zhuǎn)指令是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，則該跳轉(zhuǎn)指令后的所有指令都取消執(zhí)行；如果分支預測錯的跳轉(zhuǎn)指令不是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，則該跳轉(zhuǎn)指令的延遲槽指令后的所有指令都取消執(zhí)行。 為實現(xiàn)本發(fā)明目的更提供一種微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理方法，包括下列步驟 步驟A，在通過預譯碼判斷出待處理指令是跳轉(zhuǎn)指令，以及跳轉(zhuǎn)指令的類型后，根據(jù)該待處理的跳轉(zhuǎn)指令是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行類型，而采用靜態(tài)預測或者動態(tài)預測方法進行預測，然后將該待處理跳轉(zhuǎn)指令及其延遲槽指令按照指令在程序中的次序直接寫入操作隊列項； 步驟B，在跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行完并寫回到發(fā)射模塊后，在對跳轉(zhuǎn)指令的預測錯誤時，取消錯誤執(zhí)行的指令且從正確的跳轉(zhuǎn)方向繼續(xù)取指；在取消指令時，根據(jù)是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，采取不同的取消方法進行取消操作。 較優(yōu)地，所述步驟A中，根據(jù)該待處理的跳轉(zhuǎn)指令是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行類型，而采用靜態(tài)預測或者動態(tài)預測方法進行預測，包括下列步驟 步驟Al，如果是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，則對該待處理的跳轉(zhuǎn)指令采用靜態(tài)預測方法預測，并且預測其跳轉(zhuǎn)； 步驟A2，如果是其他非跳轉(zhuǎn)執(zhí)行的跳轉(zhuǎn)指令，則采用動態(tài)預測方法進行預測。
更優(yōu)地，所述步驟B中，根據(jù)是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，采取不同的取消方法進行取消操作，包括下列步驟 步驟Bl，如果分支預測錯的跳轉(zhuǎn)指令是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，則該跳轉(zhuǎn)指令后的所有指令都取消執(zhí)行； 步驟B2，如果分支預測錯的跳轉(zhuǎn)指令不是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，則該跳轉(zhuǎn)指令的延遲槽指令后的所有指令都取消執(zhí)行。 本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理系統(tǒng)和方法，其采取新的預測方法，使得在在跳轉(zhuǎn)指令預測錯誤后取消延遲槽指令進行新的處理，使得微處理器的分支預測方法更加簡單，在降低微處理器硬件復雜度的同時能提高微處理器的性


圖1是本發(fā)明微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理方法流程圖。
具體實施例方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對
本發(fā)明的一種微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理系統(tǒng)和方法進行進一步詳細說明。應當理
解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明而不是對本發(fā)明的限制。 在本發(fā)明實施例中，以基于的五級流水線結(jié)構(gòu)的MIPS結(jié)構(gòu)的微處理器為例，對本
發(fā)明的微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理系統(tǒng)和方法進行描述，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以
理解，本發(fā)明的微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理系統(tǒng)和方法也可以適用于其它超標量處理
器結(jié)構(gòu)的微處理器中。 如圖l所示，為了進一步說明本發(fā)明，本發(fā)明實施例首先說明基于的五級流水線結(jié)構(gòu)的MIPS結(jié)構(gòu)的微處理器，和其他大部分超標量處理器結(jié)構(gòu)的微處理器一樣，本發(fā)明實施例的基于的流水線結(jié)構(gòu)的MIPS結(jié)構(gòu)的微處理器，包括以下五個部分部件，分別是
取指模塊l，用于流水線的取指，并按照指令在程序中出現(xiàn)的先后次序從內(nèi)存或指令緩存(cache)中獲取指令(instruction);
譯碼模塊2，用于指令的譯碼； 其按照指令在程序中出現(xiàn)的先后次序?qū)⒅噶钭g碼(譯碼后的指令稱為操作)，并送到操作隊列中，其操作的狀態(tài)為未發(fā)射；
發(fā)射模塊3，用于指令的發(fā)射； 其從操作隊列中選擇未發(fā)射且操作數(shù)已準備好的操作發(fā)射到相應的功能單元，并
將發(fā)射出去的操作的狀態(tài)修改為已發(fā)射； 指令運算功能單元4，用于指令的運算； 其各個功能單元(包括訪存部件和多個運算部件等)執(zhí)行從操作隊列發(fā)射過來的操作，并將運算結(jié)果寫回到操作隊列相應的項，修改這個操作的狀態(tài)位已寫回；
6
寄存器文件模塊5，用于接收指令的提交； 其若操作隊列隊頭的操作已發(fā)射且運算結(jié)果已經(jīng)返回，那么提交指令，將運算結(jié)果寫回寄存器。 本發(fā)明的微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理系統(tǒng)，所述微處理器的譯碼模塊2中，包括分支預測器21，用于在譯碼模塊2通過預譯碼判斷出待處理指令是跳轉(zhuǎn)指令，以及跳轉(zhuǎn)指令的類型后，根據(jù)該待處理的跳轉(zhuǎn)指令是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)類型，而采用靜態(tài)預測或者動態(tài)預測方法進行預測，然后將該待處理跳轉(zhuǎn)指令及其延遲槽指令按照指令在程序中的次序直接寫入操作隊列項。 本發(fā)明實施例中，微處理器的譯碼模塊2，在待處理指令進入到譯碼階段，通過預譯碼判斷，從而確定該待處理的指令是否為跳轉(zhuǎn)指令，并在確定其為跳轉(zhuǎn)指令后，判斷出該待處理的跳轉(zhuǎn)指令的類型。 譯碼模塊2在譯碼階段通過預譯碼判斷指令是否為跳轉(zhuǎn)指令并確定跳轉(zhuǎn)指令的類型，是一種現(xiàn)有技術(shù)，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實施例的描述，能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的預譯碼過程，因此，在本發(fā)明實施例中不再一一詳細描述。 本發(fā)明實施例的分支預測器21，根據(jù)待處理的跳轉(zhuǎn)指令的類型，如果是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)指令，則對該待處理的跳轉(zhuǎn)指令采用靜態(tài)預測方法預測，并且預測其跳轉(zhuǎn)；否則，如果是其他非跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)的跳轉(zhuǎn)指令，則采用動態(tài)預測方法進行預測；然后將該待處理的跳轉(zhuǎn)指令及其延遲槽指令按照指令在程序中的次序直接寫入操作隊列項。 動態(tài)預測與靜態(tài)預測是處理器結(jié)構(gòu)中的基本概念，基本上來講，動態(tài)預測是根據(jù)此跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行方向歷史來預測此次的跳轉(zhuǎn)方向；而靜態(tài)預測則是指僅簡單預測這條指令是否跳轉(zhuǎn)，且在整個程序執(zhí)行的過程中其預測的執(zhí)行方向都是一樣的。 本發(fā)明實施例的發(fā)射模塊3，用于將所有指令，包括待處理的跳轉(zhuǎn)指令及其延遲槽指令直接發(fā)射到相應的指令運算功能單元4中進行運算。 本發(fā)明實施例的發(fā)射模塊3，對任何延遲槽指令不進行特殊處理，即任何延遲槽指
令都無需特殊處理，而將所有待處理的跳轉(zhuǎn)指令及其延遲槽指令與其他指令一樣直接發(fā)射
到相應的指令運算功能單元4中進行運算，降低微處理器硬件的復雜度。 本發(fā)明實施例的發(fā)射模塊3，還包括預測結(jié)果處理器31，用于在跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行完
并寫回到發(fā)射模塊3后，在分支預測器21對跳轉(zhuǎn)指令的預測錯誤時，取消錯誤執(zhí)行的指令
且從正確的跳轉(zhuǎn)方向繼續(xù)取指；在取消指令時，根據(jù)是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)指
令，采取不同的取消方法進行取消操作。 如果分支預測器21對跳轉(zhuǎn)指令的預測出現(xiàn)錯誤，則取消錯誤執(zhí)行則指令，然后從正確的執(zhí)行方向繼續(xù)取指令。預測結(jié)果處理器31根據(jù)不同的跳轉(zhuǎn)指令類型采取不同的取消方法進行取消操作。 如果分支預測錯的跳轉(zhuǎn)指令是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)指令，則該跳轉(zhuǎn)指令后的所有指令都取消執(zhí)行；如果分支預測錯的跳轉(zhuǎn)指令不是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)指令，則該跳轉(zhuǎn)指令的延遲槽指令后的所有指令都取消執(zhí)行。 對于跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令而言，其延遲槽指令只有跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)的時候才會被執(zhí)行，若跳轉(zhuǎn)指令不跳轉(zhuǎn)那么不會被執(zhí)行。因為跳轉(zhuǎn)指令在之前才用靜態(tài)預測且預測其跳轉(zhuǎn)，這樣在預測執(zhí)行時，所有跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令的延遲槽都被執(zhí)行。因此若預測正確，則說明這條跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)，則延遲槽指令不需要被取消執(zhí)行；而若預測錯誤，則說明這條跳轉(zhuǎn)指令事實上不會跳轉(zhuǎn)，因此在預測執(zhí)行時被執(zhí)行的延遲槽執(zhí)行需要被取消。 如果分支預測器21對跳轉(zhuǎn)指令的預測沒有錯誤，跳轉(zhuǎn)指令發(fā)射到指令運算相應功能單元中進行運算，將結(jié)果寫回到發(fā)射模塊3，執(zhí)行的結(jié)果與預測結(jié)果一致，即分支預測器21預測跳轉(zhuǎn)，而執(zhí)行結(jié)果顯示跳轉(zhuǎn)；或者預測分支預測器21預測不跳轉(zhuǎn)，而且執(zhí)行結(jié)果顯示不跳轉(zhuǎn)時，則修改這個操作的狀態(tài)位已寫回后不需要發(fā)射模塊3進行其他任何處理，直接給予提交。 本發(fā)明實施例的寄存器文件模塊5，用于在指令執(zhí)行后，直接將指令結(jié)果提交，而無需進行處理。 本發(fā)明實施例的寄存器文件模塊5，在提交階段，由于預測結(jié)果處理器31已經(jīng)對執(zhí)行結(jié)果進行處理，因此只需按照正常的提交邏輯直接提交指令執(zhí)行結(jié)果，無需進行其他特殊處理。 這樣就使得微處理器的分支預測方法更加簡單，在降低微處理器硬件復雜度的同時能提高微處理器的性能。 相應地，本發(fā)明還提供一種微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理方法，如圖2所示，其包括如下步驟 步驟S100，從微處理器的流水線的取出待處理指令，并按照該指令在程序中出現(xiàn)的先后次序從內(nèi)存或指令緩存(cache)中獲取指令。 步驟S200，在通過預譯碼判斷出待處理指令是跳轉(zhuǎn)指令，以及跳轉(zhuǎn)指令的類型后，根據(jù)該待處理的跳轉(zhuǎn)指令是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)類型，而采用靜態(tài)預測或者動態(tài)預測方法進行預測，然后將該待處理跳轉(zhuǎn)指令及其延遲槽指令按照指令在程序中的次序直接寫入操作隊列項。 在步驟S200中，根據(jù)該待處理的跳轉(zhuǎn)指令是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branchlikely)類型，而采用靜態(tài)預測或者動態(tài)預測方法進行預測，包括下列步驟 步驟S210，如果是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)指令，則對該待處理的跳轉(zhuǎn)指令采用靜態(tài)預測方法預測，并且預測其跳轉(zhuǎn)； 步驟S220，如果是其他非跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)的跳轉(zhuǎn)指令，則采用動態(tài)預測方法進行預測。 步驟S300，將所有指令，包括待處理的跳轉(zhuǎn)指令及其延遲槽指令直接發(fā)射到相應的指令運算功能單元4中進行運算。 步驟S400，在跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行完并寫回到發(fā)射模塊3后，在對跳轉(zhuǎn)指令的預測錯誤時，取消錯誤執(zhí)行的指令且從正確的跳轉(zhuǎn)方向繼續(xù)取指；在取消指令時，根據(jù)是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)指令，采取不同的取消方法進行取消操作。 在步驟S400中，根據(jù)是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)指令，采取不同的取消方法進行取消操作，包括下列步驟 步驟S410，如果分支預測錯的跳轉(zhuǎn)指令是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)指令，則該跳轉(zhuǎn)指令后的所有指令都取消執(zhí)行； 步驟S420，如果分支預測錯的跳轉(zhuǎn)指令不是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)指令，則
8該跳轉(zhuǎn)指令的延遲槽指令后的所有指令都取消執(zhí)行。
所述步驟S400，還包括下列步驟 如果分支預測器對跳轉(zhuǎn)指令的預測沒有錯誤，跳轉(zhuǎn)指令發(fā)射到指令運算相應功能單元4中進行運算，將結(jié)果寫回，執(zhí)行的結(jié)果與預測結(jié)果一致，即預測跳轉(zhuǎn)，而執(zhí)行結(jié)果顯示跳轉(zhuǎn)；或者預測不跳轉(zhuǎn)，而且執(zhí)行結(jié)果顯示不跳轉(zhuǎn)時，則修改這個操作的狀態(tài)位已寫回后不需要譯碼模塊2進行其他任何處理，直接給予提交。 步驟S500，在指令執(zhí)行后，直接將指令結(jié)果提交到寄存器文件模塊。 下面以兩個例子進一步詳細描述說明本發(fā)明的微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理
系統(tǒng)和方法。 例1.設(shè)本例中，操作隊列共有8項，即同時能有8條指令同時在流水線中執(zhí)行。設(shè)操作隊列已經(jīng)有三條指令，且隊列頭指針指向第二條指令。首先譯碼模塊對取指模塊取到的指令進行譯碼；為了能加快分支預測，在譯碼的同時對這些指令做預譯碼，然后根據(jù)預譯碼的結(jié)果做分支預測。當預譯碼后，發(fā)現(xiàn)第一條指令是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(branch likely)指令，于是預測其跳轉(zhuǎn)，并將譯碼總線的跳轉(zhuǎn)執(zhí)行標識(blikely標識)置為1 ;第二條指令是這條指令的延遲槽指令。緊接著這兩條指令被送入到操作隊列。其中第一條指令寫入操作隊列的第四項，且操作隊列的blikely標識置為1 ;發(fā)射狀態(tài)標識(issued標識)置為0 ;結(jié)果狀態(tài)標識(WB標識)置為0，而第二條指令寫入操作隊列的第五項，其blikely標識置為0 ;issued標識置為O ;WB標識置為O。下一拍，取指模塊將從這條跳轉(zhuǎn)指令的跳轉(zhuǎn)目標地址繼續(xù)取指。 在發(fā)射階段，發(fā)射模塊從操作隊列中找到未發(fā)射且操作數(shù)已準備好的指令將其發(fā)射到對應的指令運算功能單元。若操作隊列第二項和第三項已發(fā)射出去，且第四項和第五項的操作數(shù)已準備好，那么將第四項和第五項同時發(fā)射到相應的功能單元；若僅第四項的操作數(shù)已準備好，那么僅將第四項發(fā)射到對應的功能單元；若僅第五項的操作數(shù)已準備好，那么僅將第五項發(fā)射到對應的功能單元。在亂序發(fā)射邏輯中，這兩條指令的發(fā)射順序沒有任何聯(lián)系。 在寫回階段，若第四項的結(jié)果寫回，且指令的執(zhí)行結(jié)果是不跳轉(zhuǎn)，那么將第四項的WB位置為l，且判斷其blikely標識是否為l，若為l，并且將第五項以后(包含第五項)的所有指令都取消執(zhí)行。取消這些指令的操作，若這些操作正在功能單元執(zhí)行，取消執(zhí)行；然后將這些指令所占用的操作隊列項釋放。最后取指模塊將從正確的路徑繼續(xù)取指令。若在寫回階段，第四項的結(jié)果寫回時指令的執(zhí)行結(jié)果是跳轉(zhuǎn)，那么不做任何處理，僅將第四條指令的WB位置為1。 提交階段，按著正常的提交邏輯提交指令，無需特殊處理。 例2.設(shè)本例中，操作隊列共有8項，即同時能有8條指令同時在流水線中執(zhí)行。設(shè)操作隊列已經(jīng)有三條指令，且隊列頭指針指向第二條指令。首先譯碼模塊對取指模塊取到的指令進行譯碼；為了能加快分支預測，在譯碼的同時對這些指令做預譯碼，然后根據(jù)預譯碼的結(jié)果做分支預測。當預譯碼后，發(fā)現(xiàn)第一條指令是普通跳轉(zhuǎn)指令，根據(jù)分支預測器預測其是否跳轉(zhuǎn)。并將譯碼總線的blikely標識置為0 ;第二條指令是這條指令的延遲槽指令。緊接著這兩條指令被送入到操作隊列。其中第一條指令寫入操作隊列的第四項，且操作隊列的blikely標識置為0 ;issued標識置為0 ;WB標識置為0，而第二條指令寫入操作隊列的第五項，其blikely標識置為0 ;issued標識置為0 ;WB標識置為0。下一拍，取指模塊將 從這條跳轉(zhuǎn)指令的預測路徑繼續(xù)取指。 在發(fā)射階段，發(fā)射模塊從操作隊列中找到未發(fā)射且操作數(shù)已準備好的指令將其發(fā) 射到對應的指令運算功能單元。若操作隊列第二項和第三項已發(fā)射出去，且第四項和第五 項的操作數(shù)已準備好，那么將第四項和第五項同時發(fā)射到相應的功能單元；若僅第四項的 操作數(shù)已準備好，那么僅將第四項發(fā)射到對應的功能單元；若僅第五項的操作數(shù)已準備好， 那么僅將第五項發(fā)射到對應的功能單元。在亂序發(fā)射邏輯中，這兩條指令的發(fā)射順序沒有 任何聯(lián)系。 在寫回階段，若第四項的結(jié)果寫回，且指令的執(zhí)行結(jié)果與預測的結(jié)果不一致，即預 測跳轉(zhuǎn)但是執(zhí)行結(jié)果顯示不跳轉(zhuǎn)；或者預測不跳轉(zhuǎn)但執(zhí)行結(jié)果顯示跳轉(zhuǎn)，那么將第四項的 WB位置為1 ;且判斷其blikely標識是否為l，若不為l，那么將第五項以后(不包含第五 項)的所有指令都取消執(zhí)行。取消這些指令的操作包括若這些操作正在功能單元執(zhí)行，取 消執(zhí)行；然后將這些指令所占用的操作隊列項釋放。最后取指模塊將從正確的路徑繼續(xù)取 指令。若在寫回階段，第四項的結(jié)果寫回時指令的執(zhí)行結(jié)果與預測結(jié)果一致，即預測跳轉(zhuǎn)但 是執(zhí)行結(jié)果顯示跳轉(zhuǎn)；或者預測不跳轉(zhuǎn)但執(zhí)行結(jié)果顯示不跳轉(zhuǎn)，那么不做任何處理，僅將第 四條指令的WB位置為1。 提交階段，按著正常的提交邏輯提交指令，無需特殊處理。 本發(fā)明的微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理系統(tǒng)和方法，采用分支預測器進行預 測，并通過預測結(jié)果處理器根據(jù)跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行后結(jié)果進行處理，使得在在跳轉(zhuǎn)指令預測錯 誤后取消延遲槽指令進行新的處理，使得微處理器的分支預測方法更加簡單，在降低微處 理器硬件復雜度的同時能提高微處理器的性能。 最后應當說明的是，很顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變 型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要 求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型。
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權(quán)利要求
一種微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理系統(tǒng)，包括譯碼模塊和發(fā)射模塊，其特征在于所述譯碼模塊包括分支預測器，用于在所述譯碼模塊通過預譯碼判斷出待處理指令是跳轉(zhuǎn)指令，以及跳轉(zhuǎn)指令的類型后，根據(jù)該待處理的跳轉(zhuǎn)指令是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行類型，而采用靜態(tài)預測或者動態(tài)預測方法進行預測，然后將該待處理跳轉(zhuǎn)指令及其延遲槽指令按照指令在程序中的次序直接寫入操作隊列項；所述發(fā)射模塊包括預測結(jié)果處理器，用于在跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行完并寫回到所述發(fā)射模塊后，在所述分支預測器對跳轉(zhuǎn)指令的預測錯誤時，取消錯誤執(zhí)行的指令且從正確的跳轉(zhuǎn)方向繼續(xù)取指；在取消指令時，根據(jù)是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，采取不同的取消方法進行取消操作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分支預測處理系統(tǒng)，其特征在于，所述根據(jù)該待處理的跳轉(zhuǎn)指令是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行類型，而采用靜態(tài)預測或者動態(tài)預測方法進行預測，是指根據(jù)待處理的跳轉(zhuǎn)指令的類型，如果是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，則對該待處理的跳轉(zhuǎn)指令采用靜態(tài)預測方法預測，并且預測其跳轉(zhuǎn)；否則，如果是其他非跳轉(zhuǎn)執(zhí)行的跳轉(zhuǎn)指令，則采用動態(tài)預測方法進行預測。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分支預測處理系統(tǒng)，其特征在于，所述根據(jù)是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，采取不同的取消方法進行取消操作，是指如果分支預測錯的跳轉(zhuǎn)指令是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，則該跳轉(zhuǎn)指令后的所有指令都取消執(zhí)行；如果分支預測錯的跳轉(zhuǎn)指令不是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，則該跳轉(zhuǎn)指令的延遲槽指令后的所有指令都取消執(zhí)行。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的分支預測處理系統(tǒng)，其特征在于，還包括指令運算功能單元和寄存器文件模塊；發(fā)射模塊將所有待處理的跳轉(zhuǎn)指令及其延遲槽指令直接發(fā)射到相應的指令運算功能單元中進行運算。所述寄存器文件模塊，用于在指令執(zhí)行后，直接將指令結(jié)果提交。
5. —種微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理方法，其特征在于，包括下列步驟步驟A，在通過預譯碼判斷出待處理指令是跳轉(zhuǎn)指令，以及跳轉(zhuǎn)指令的類型后，根據(jù)該待處理的跳轉(zhuǎn)指令是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行類型，而采用靜態(tài)預測或者動態(tài)預測方法進行預測，然后將該待處理跳轉(zhuǎn)指令及其延遲槽指令按照指令在程序中的次序直接寫入操作隊列項；步驟B，在跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行完并寫回到發(fā)射模塊后，在對跳轉(zhuǎn)指令的預測錯誤時，取消錯誤執(zhí)行的指令且從正確的跳轉(zhuǎn)方向繼續(xù)取指；在取消指令時，根據(jù)是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，采取不同的取消方法進行取消操作。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的分支預測處理方法，其特征在于，所述步驟A中，根據(jù)該待處理的跳轉(zhuǎn)指令是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行類型，而采用靜態(tài)預測或者動態(tài)預測方法進行預測，包括下列步驟步驟Al，如果是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，則對該待處理的跳轉(zhuǎn)指令采用靜態(tài)預測方法預測，并且預測其跳轉(zhuǎn)；步驟A2，如果是其他非跳轉(zhuǎn)執(zhí)行的跳轉(zhuǎn)指令，則采用動態(tài)預測方法進行預測。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的分支預測處理方法，其特征在于，所述步驟B中，根據(jù)是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，采取不同的取消方法進行取消操作，包括下列步驟步驟B 1，如果分支預測錯的跳轉(zhuǎn)指令是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，則該跳轉(zhuǎn)指令后的所有指令都取消執(zhí)行；步驟B2，如果分支預測錯的跳轉(zhuǎn)指令不是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，則該跳轉(zhuǎn)指令的延遲槽指令后的所有指令都取消執(zhí)行。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的分支預測處理方法，其特征在于，所述步驟B中，還包括下列步驟如果分支預測器對跳轉(zhuǎn)指令的預測沒有錯誤，跳轉(zhuǎn)指令發(fā)射到指令運算相應功能單元中進行運算，將結(jié)果寫回，執(zhí)行的結(jié)果與預測結(jié)果一致，即預測跳轉(zhuǎn)，而執(zhí)行結(jié)果顯示跳轉(zhuǎn)；或者預測不跳轉(zhuǎn)，而且執(zhí)行結(jié)果顯示不跳轉(zhuǎn)時，則修改這個操作的狀態(tài)位已寫回后不需要譯碼模塊進行其他任何處理，直接給予提交。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5至8任一項所述的分支預測處理方法，其特征在于，所述步驟A之前還包括下列步驟從微處理器的流水線的取出待處理指令，并按照該指令在程序中出現(xiàn)的先后次序從內(nèi)存或指令緩存中獲取指令。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的分支預測處理方法，其特征在于，所述步驟A和步驟B之間還包括下列步驟將所有待處理的跳轉(zhuǎn)指令及其延遲槽指令直接發(fā)射到相應的指令運算功能單元中進行運算。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的分支預測處理方法，其特征在于，所述步驟B之后還包括下列步驟在指令執(zhí)行后，直接將指令結(jié)果提交到寄存器文件模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開一種微處理器跳轉(zhuǎn)指令分支預測處理系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括譯碼模塊和發(fā)射模塊。譯碼模塊包括分支預測器，用于在所述譯碼模塊通過預譯碼判斷出待處理指令是跳轉(zhuǎn)指令，以及跳轉(zhuǎn)指令的類型后，根據(jù)該待處理的跳轉(zhuǎn)指令是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行類型，而采用靜態(tài)預測或者動態(tài)預測方法進行預測，然后將該待處理跳轉(zhuǎn)指令及其延遲槽指令按照指令在程序中的次序直接寫入操作隊列項；發(fā)射模塊包括預測結(jié)果處理器，用于在跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行完并寫回到發(fā)射模塊后，在分支預測器對跳轉(zhuǎn)指令的預測錯誤時，取消錯誤執(zhí)行的指令且從正確的跳轉(zhuǎn)方向繼續(xù)取指；在取消指令時，根據(jù)是否為跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令，采取不同的取消方法進行取消操作。
文檔編號G06F9/38GK101770358SQ20101011140
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者徐翠萍, 李祖松, 汪文祥, 郝守青 申請人:北京龍芯中科技術(shù)服務中心有限公司