[发明专利]一种分支目标预测地址在流水线中的传递方法和装置

说明书

本发明公开了一种分支目标预测地址在流水线中的传递方法及装置，本发明方法包括初始化预测地址队列的读写指针和队列空闲项数寄存器；在取指阶段，根据分支方向预测结果，将预测跳转的分支的目标预测地址写入预测地址队列，并更新队列写指针和队列空闲项数寄存器；将分支方向预测结果随流水线逐级传递；在分派阶段分派预测跳转的分支指令时，使用读指针读取预测地址队列获取该分支的目标预测地址，并更新读指针和队列空闲项数寄存器；在发生流水线的清除操作时，重置预测地址队列的读写指针和队列空闲项数寄存器为初始值。本发明具有逻辑实现简单、面积开销小的优点。

技术领域

本发明涉及微处理器设计技术领域的乱序多发射微处理器设计技术，具体涉及一种分支目标预测地址在流水线中的传递方法和装置。

背景技术

微处理器设计时，通过分支预测技术预测分支指令是否跳转以及跳转到哪个地址，也就是进行分支方向预测和分支目标预测。虽然随着分支预测技术的不断发展，分支预测的精度越来越高，但是仍然会存在分支预测错误的情况。为了判断分支预测是否正确，需要将分支预测阶段得到的方向预测结果和目标预测结果随流水线传递到分支执行部件。方向预测结果只有一位，为1表示预测为跳转，为0表示预测为不跳转；目标预测结果需要的位数取决于微处理器支持的虚拟地址的宽度，现在大部分微处理器都达到了48位，甚至更多。

当前主流商用微处理器几乎都采用深流水的乱序多发射结构，从指令取出到进入发射队列，要经过译码、重命名和分派等流水站，译码和重命名通常要分成多站才能得到主频更高的设计，并且同时译码和重命名的指令通常达到4条甚至更多。分支预测结果要经过流水线的译码、重命名和分派阶段的逐级寄存才能进入分支执行部件，而且某些流水站之间还设置有一定项数的缓冲区，这些缓冲区每项都要设置分支预测结果字段，但只有分支执行部件执行分支指令时需要读取分支预测结果，在译码、重命名和分派阶段并不需要这些信息，逐级寄存的目的仅是为了传递分支预测结果。另外，指令在经过译码、重命名和分派阶段时，流水线间传递的信息是所有指令需要的信息的全集，虽然只有分支指令需要传递分支预测结果，但是在进入执行部件前，所有指令都是带着分支预测结果字段的。这些都导致流水线的设计复杂，面积开销大。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种逻辑实现简单、面积开销小的分支目标预测地址在流水线中的传递方法和装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种分支目标预测地址在流水线中的传递方法，包括：

1)初始化预测地址队列的读写指针和队列空闲项数寄存器；

2)在取指阶段，根据分支方向预测结果，将预测跳转的分支的目标预测地址写入预测地址队列，并更新队列写指针和队列空闲项数寄存器；

3)将分支方向预测结果随流水线逐级传递；

4)在分派阶段分派预测跳转的分支指令时，使用读指针读取预测地址队列获取该分支的目标预测地址，并更新读指针和队列空闲项数寄存器；

5)在发生流水线的清除操作时，重置预测地址队列的读写指针和队列空闲项数寄存器为初始值。

可选地，步骤1)中初始化预测地址队列的读写指针和队列空闲项数寄存器时，预测地址队列的写指针、读指针都指向预测地址队列的第0项，且队列空闲项数寄存器的初始值为预测地址队列的总项数N，N小于取指但是还没进入执行部件的指令的总数。

可选地，步骤2)中在取指阶段中每取出一个指令的执行步骤包括：

2.1)判断取出的是否是预测为跳转的分支指令，如果是则跳转执行步骤2.2)；否则跳转执行步骤3)；

2.2)判断队列空闲项数寄存器的值是否非零，如果是非零则判定预测地址队列有空闲项，跳转执行步骤2.3)，否则继续等待直到预测地址队列有空闲项后再跳转执行步骤2.3)；