[發明專利]一種局部跳轉指令取指電路

有效

• 申請號: 201711202444.3
• 申請日: 2017-11-24
• 公開（公告）號: CN107943518B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 牛少平;韓一鵬;魏艷艷;郝沖;鄧藝
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所
• 主分類號: G06F9/30
• 分類號: G06F9/30;G06F9/38
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 王中興

本發明屬于計算機硬件技術領域，涉及一種局部跳轉指令取指電路。本發明包含PC更新模塊、順序指令緩沖區、退休指令緩沖區和PC棧。PC更新模塊負責更新PC地址。退休指令緩沖區存放已經執行完成的16條指令。順序指令緩沖區存放正在執行的8條指令和將要執行的8條指令。PC棧用來實現函數嵌套時PC的保存與恢復。本發明根據跳轉指令的跳轉地址能夠實現快速的指令向前在退休指令緩沖區和向后在順序指令緩沖區局部跳轉，從而提高跳轉指令的執行效率和緩沖區指令的更新效率，降低流水線等待延遲，提高處理器的執行效率。

技術領域

本發明涉及計算機硬件技術領域，尤其涉及一種局部跳轉指令取指電路方案。

背景技術

現代處理器設計中，由于跳轉和分支指令的存在，且未集成分支預測機制，從處理跳轉和分支指令開始到取回并繼續執行后續有效指令之間處理器一直處于等待狀態，該方式是在保證功能正確的前提下降低了硬件復雜度，但是這種方式的簡單化和直接化導致分支指令執行的效率不高，使得處理器的流水線中插入較多無效操作，降低了處理器流水線的資源利用率。

發明內容

本發明的目的是：提供了一種基于退休機制的局部跳轉指令取指電路，采用一種高效局部跳轉指令的取指電路來減少處理器流水線中的無效操作，提高流水線資源的利用率，從而提升處理器執行效率。

本發明的技術解決方案是：

一種局部跳轉指令取指電路，包括PC更新模塊、順序指令緩沖區、退休指令緩沖區和PC棧。

PC更新模塊，根據雙發射指令的執行結果計算出下一次的取指PC，如果雙發射的指令中沒有跳轉指令則當執行完當前順序指令緩沖0區中的8條指令后PC順序加1，若雙發射的指令中有跳轉指令則需根據跳轉的跳轉信息更新PC地址。

順序指令緩沖區，分為順序指令緩沖0區和1區，正在執行的8條指令緩存在順序指令緩沖0區中，將要執行的8條指令緩存在順序指令緩沖1區中。在沒有跳轉指令時順序指令緩沖0區中的指令來自于順序指令緩沖1區，順序指令緩沖1區中的指令來自于從外部返回的8條指令；若有跳轉指令，根據跳轉指令的跳轉地址更新順序指令緩沖區中的指令。

退休指令緩沖區分為退休指令緩沖0區和1區，其中退休指令緩沖0區和退休指令緩沖1區中各8條。在沒有跳轉指令時退休指令緩沖0區中的指令來自于退休指令緩沖1區，退休指令緩沖1區中的指令來自于順序指令緩沖0區；若有跳轉指令，根據跳轉指令的跳轉地址更新退休指令緩沖區中的指令。

在計算得到下一次的取指PC后，比較下一次的目標地址是否在順序指令緩沖區和退休指令緩沖區中。如果在順序指令緩沖區中，則無需額外取指操作，直接從緩沖區跳轉目標地址處開始譯碼發射執行；如果不在順序指令緩沖區中，而在退休指令緩沖區中，則從退休指令緩沖區中將指令行復制到順序指令緩沖區中從跳轉的目標地址處譯碼發射執行；如果兩個緩沖區中都不在，則根據跳轉的具體地址從外部取指令。

PC棧用來實現函數嵌套時PC的保存與恢復，保存跳轉指令的下一條指令位置，通過讀取棧，恢復之前跳轉指令的下一條指令位置。

本發明可以總結為以下三點：

一、退休指令緩沖區能夠覆蓋向前16條指令的局部范圍，在發現跳轉或分支指令，并計算得到跳轉或分支目標地址后，比較該目標地址是否在退休指令緩沖區緩存的16條的指令中。如果在，則無需額外取指操作，直接將退休指令緩沖區中的指令復制到順序指令緩沖區從跳轉的目標地址處開始執行；

二、順序指令緩沖區能夠覆蓋當前正在執行的8條指令和向后8條指令的局部范圍，在發現跳轉或分支指令，并計算得到跳轉或分支目標地址后，比較該目標地址是否在順序指令緩沖區緩存的16條的指令中。如果在，則無需額外取指操作，直接從緩沖區跳轉的目標地址處開始執行；