[發(fā)明專利]管線式微處理器及其執(zhí)行兩種條件分支指令的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910247054.7
• 申請(qǐng)日: 2009-12-25
• 公開（公告）號(hào): CN101876890A
• 公開（公告）日: 2010-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: G·葛蘭·亨利;泰瑞·派克斯;布蘭特·比恩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 威盛電子股份有限公司
• 主分類號(hào): G06F9/38
• 分類號(hào): G06F9/38
• 代理公司: 北京林達(dá)劉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇;王璐

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明有關(guān)于微處理器，特別關(guān)于在一微處理器中執(zhí)行條件分支指令(conditional?branch?instruction)。

背景技術(shù)

當(dāng)沒有控制流程指令時(shí)，微處理器依序地提取指令并執(zhí)行該指令。換言之，預(yù)設(shè)動(dòng)作就是讓微處理器先提取一指令，接著再提取下一個(gè)循序指令，然后再提取下一個(gè)循序指令，以此類推。然而，控制流程指令會(huì)命令微處理器脫離此循序提取制度。微處理器在其指令集結(jié)構(gòu)(instruction?set?architecture)中包括某種型式的條件分支指令，用以指定一分支條件狀態(tài)(通常是一條件旗標(biāo)(condition?flag)或是一通用暫存器中的數(shù)值)及一分支條件(舉例而言，位設(shè)定、位清除、等于零或大于一定值)。條件分支指令也指定一分支目標(biāo)地址(branch?target?address)。微處理器根據(jù)分支條件檢查分支條件狀態(tài)，用以決定分支條件狀態(tài)是否滿足被條件分支指令所指定的分支條件。若分支條件狀態(tài)滿足分支條件，微處理器開始提取分支目標(biāo)地址上的指令，而不是提取下一個(gè)循序指令。

正如眾所皆知的微處理器技術(shù)，現(xiàn)今的微處理器包括一個(gè)具有多個(gè)階段的管線(a?pipeline?of?stages)，每一階段執(zhí)行有關(guān)程序指令的不同工作。在標(biāo)準(zhǔn)的管線式微處理器中，包括指令提取(instruction?fetch)、指令解碼(instruction?decode)、運(yùn)算元提取(operand?fetch)、執(zhí)行(execute)以及寫回結(jié)果(resultwrite-back)這五個(gè)階段。一程序中的條件分支指令會(huì)大大地增加微處理器執(zhí)行程序所需的時(shí)間。這是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)上，執(zhí)行階段(execute?stage)用以分析條件分支指令，即決定分支條件狀態(tài)是否滿足分支條件。其中一個(gè)原因是因?yàn)槌绦蛑械闹噶钤诔绦蝽樞?program?order)中的順序可能會(huì)比條件分支指令還要舊(older)，因此，在運(yùn)算元提取階段可以提取條件分支指令的來(lái)源運(yùn)算元(source?operands)之前，微處理器必須等待直到執(zhí)行單元產(chǎn)生上述比較舊的指令的結(jié)果(這些比較舊的指令的結(jié)果為條件分支指令中用以構(gòu)成(constitute)分支條件狀態(tài)的來(lái)源運(yùn)算元)，以便發(fā)出條件分支指令用以執(zhí)行。然而，特別是在高度管線化(deeply?pipelined)及/或亂序執(zhí)行(out-of-order?execution)微處理器中，微處理器可能已經(jīng)提取以及處理許多程度不同的下一個(gè)循序指令(位于條件分支指令之后)，并且在執(zhí)行單元分析條件分支指令時(shí)，這些循序指令在程序順序中的順序要比條件分支指令還要新(newer)。若執(zhí)行單元決定分支條件狀態(tài)滿足分支條件(即會(huì)發(fā)生(taken)條件分支指令)，微處理器必須清除(flush)所有位于條件分支指令之后依序提取的指令，并開始提取分支目標(biāo)地址上的指令。這大大地增加了微處理器執(zhí)行程序所需的時(shí)間。

為了解決此問題，現(xiàn)今的微處理器包括分支預(yù)測(cè)器(branchpredictors)用以預(yù)測(cè)方向(direction)(即分支條件狀態(tài)是否會(huì)滿足分支條件(稱為“發(fā)生(taken)”)，或不滿足分支條件(稱為“不發(fā)生(not?taken)”)。然而，分支預(yù)測(cè)器可能會(huì)誤預(yù)測(cè)(mispredict)方向，在此情況下，因?yàn)槲⑻幚砥鞅仨毲宄芫€中錯(cuò)誤提取的指令，并開始提取正確地址上的指令(即根據(jù)是否發(fā)生正確的方向來(lái)決定該正確地址為下一個(gè)循序地址或分支目標(biāo)地址)，所以微處理器需要承擔(dān)一分支誤預(yù)測(cè)代價(jià)(branch?mispredictionpenalty)。再者，這會(huì)大大地增加程序執(zhí)行時(shí)間，特別是在程序中具有一些難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的條件分支指令的情況下。因此，需要一種能夠及早正確地分析管線中的條件分支指令的方法，用以置換(override)分支預(yù)測(cè)器。舉例而言，該方法已揭露于Boseet?al.所獲得的美國(guó)專利第5,805,876號(hào)“一種適用于一處理器的方法與系統(tǒng)，用以減少平均分支解析時(shí)間及有影響的誤預(yù)測(cè)代價(jià)”。然而，Bose?et?al.所提出的微處理器有一個(gè)缺點(diǎn)，就是該微處理器會(huì)選擇性地提早分析條件分支指令。換言之，該微處理器只在分支指令滿足一組特定的條件時(shí)，才會(huì)提早分析條件分支指令，例如第一個(gè)偵測(cè)到的條件分支指令設(shè)置在一指令緩沖器中的第一可調(diào)度位置(dispatchable?position)中。

因此，需要一種具有一改良技術(shù)的微處理器，用以允許程序條件性地分支。

發(fā)明內(nèi)容