[發明專利]用于直接跳轉的超前預測的方法及分支指令追蹤高速緩存

在審

• 申請號: 202111033727.6
• 申請日: 2021-09-03
• 公開（公告）號: CN113722243A
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 張然;王飛
• 申請（專利權）人: 蘇州睿芯集成電路科技有限公司
• 主分類號: G06F12/0802
• 分類號: G06F12/0802;G06F12/0862;G06F12/0875
• 代理公司: 北京科龍寰宇知識產權代理有限責任公司 11139
• 代理人: 孫皓晨

本發明公開一種用于直接跳轉的超前預測的方法及分支指令追蹤高速緩存，其中分支指令追蹤高速緩存包括：基于分支歷史信息的預測表，用于實現兩次跳轉預測，其中，基于分支歷史信息的預測表包括當前分支預測表和超前分支指令追蹤高速緩存器預測表；分支目標指令追蹤高速緩存器，其包括多個條目，每個條目存儲多條連續指令，多條連續指令包含分支指令，其中，每個條目作為分支目標指令追蹤高速緩存項包括：分支指令的目標指令、分支指令的目標指令的順序地址、分支指令的目標指令的跳轉地址及標簽；以及系統緩存。

技術領域

本發明涉及高速緩存處理器的技術領域，具體而言，涉及一種用于直接跳轉的超前預測的方法及分支指令追蹤高速緩存。

背景技術

圖1為連續跳轉的指令流，如圖1所示，由于條件分支指令(Instr_0和Instr_x)的存在，取指令在處理器處出現兩次連續的跳轉，分別為第一次跳轉和第二次跳轉。圖2為現有處理器遇到連續分支指令(Instr_0、Instr_x和Instr_t)后的時序圖，如圖2所示，現有技術中分支指令(Instr_0、Instr_x和Instr_t)會給處理器的流水線引入氣泡，即流水線氣泡(也就是處理器暫停的時間)，其中，所引入的流水線氣泡由兩部分組成，分別為跳轉預測引入的氣泡和地址重定向引入的氣泡，引入的這兩部分流水線氣泡會降低處理器的性能和緩存使用效率。

目前，本領域通常采用傳統的BTC(Branch Trace Cache，分支目標指令追蹤高速緩存器)的方式緩解流水線氣泡，用以提高處理器的性能。圖3為使用傳統BTC后處理器遇到連續連續分支指令后的時序圖，如圖3所示，傳統的分支目標指令追蹤高速緩存器(BTC)將分支跳轉的目標指令放到高速緩存中，當條件分支指令(Instr_0)命中分支目標指令追蹤高速緩存器(BTC)后，能夠快速地從分支目標指令追蹤高速緩存器(BTC)中讀取所需指令，因此，采用傳統的BTC的方式能夠緩解地址重定向引入的流水線氣泡。但是，目前的這種設計中并不能實現對分支目標指令追蹤高速緩存器(BTC)中出現的分支指令進行超前預測，不能消除分支指令引入的流水線氣泡，因此，傳統的BTC的方式還是不能很好的處理連續跳轉的指令流，對處理器性能的提高能力有限。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供一種用于直接跳轉的超前預測的方法及分支指令追蹤高速緩存，通過使用超前預測的分支指令追蹤高速緩存器(APBTC)存儲直接跳轉的目標指令，用以實現當超前預測的分支指令追蹤高速緩存器(APBTC)命中時，可以迅速取出所需指令，從而消除分支指令引入的流水線氣泡。另外，本發明提供的超前的分支預測機制可以對超前預測的分支指令追蹤高速緩存器(APBTC)表項內部的分支指令進行預測，從而降低連續跳轉所帶來的流水線氣泡，提高處理器性能和使用效率，降低功耗。

為達到上述目的，本發明提供了一種用于直接跳轉的超前預測的方法，其包括以下步驟：

步驟1：在第一級流水線階段訪問基于分支歷史信息的預測表和分支目標指令追蹤高速緩存器，其中，基于分支歷史信息的預測表包括當前分支預測表和超前分支指令追蹤高速緩存器預測表；

并在第二級流水線階段獲取超前分支指令追蹤高速緩存器預測表和分支目標指令追蹤高速緩存器的內容及系統緩存中的指令；

步驟2：判斷從系統緩存中取出的指令是否為分支指令，

如果不是分支指令，則按順序依次取出指令；

如果是分支指令，則進入步驟3；

步驟3：判斷獲取的該分支指令是否命中分支目標指令追蹤高速緩存器，

如果沒有命中，則將該分支指令的跳轉地址作為下次取指地址，并建立對應的超前預測的分支指令追蹤高速緩存項；

如果命中，則進入步驟4；