[发明专利]具有推测指令取指的数据处理器及操作方法

说明书

本发明一般性地涉及数字计算系统，更特别涉及具有猜测指令取指能力的数据处理器。

分支预测是一种用来改进数据处理器性能的技术，用分支预测技术的数据处理器，每当它们接收一分支指令时总要进行猜测，实行猜测(未决定分支指令)，并通过完成指令(决定分支指令)确定猜测是否正确。这种数据处理器猜测是否最终实现分支并转到新的指令地址(不是往下到另一顺序的指令。具有预测分支指令的数据处理器，因为它们形成正确猜测比完成分支指令更快而增加了其性能。这样这些数据处理器所需的仅仅是校正错误猜测。

分支预测技术允许数据处理器尽可能快的在取下一个指令或指令组而增加数据处理器性能。因此，数据处理器总有连续指令流在执行。这种策略称“指令预取指”，因为数据处理器在它执行分支指令之前取指令以确定预取指令的地址。

在某些数据处理系统中，统一的取指指令，对系统的整个性能可能不利。通常，在数据处理器的内部存储器的高速缓存中不包括预取指指令。在这种情况下，数据处理器必须从外部存储器系统取指。这种操作垄断同外部存储装置相连的总线，同时可使共用外部存储器装置的其它装置实现同系统存储器有关协议(探听操作)相符合的某些作用。另外，数据处理器直到接收居先的不正确指令才能请求其它的、可假定是正确的指令。其优点是只要可能，就使这些操作的次数变为最小。

每个猜测的分支指令对所选的指令通道混有不正确的东西，因此可能有不需要的取指，例如有些分支预测方案，预测分支正确率可达90％不正确率为10％。经三次预测仍未决定分支，数据处理器沿正确指令流通道进行取指的机遇只有73％。继续用这例子，已知数据处理器同样猜测第一和第3分支预测，既可通过两个分支指令指示的地址(或者是在两个指令之后形成的顺序地址)预取指令亦可不预取指令，如上所述，若数据处理器不包括由分支指令返回的特殊指令，这两指令中每个都可以使数据处理器经系统总线存取外部存储器系统。其它相同时，宁可垄断系统总线取第一指令而不取第3指令。然而，以前数据处理器没有这种特性。

根据本发明公布的具有推测指令取指的数据处理器，它实质上消除了已有的数据处理器缺点。

所用具有外部存储系统的数据处理器，具有分支预测单元及与其相结合的指令取指电路。分支预测单元形成取指地址，存储一个表示前面未决定分支指令数目的信号及形成控制信号。在第一种操作方式中，控制信号所对应的第一种逻辑状态和第二种逻辑状态分别表示信号代表数小于等于第一预选择数或大于第一预选择数。在第二种操作方式中，控制信号对应的第一种逻辑状态和第二种逻辑状态分别表示信号代表数小于等于第二预选择数或大于第二预选择数。指令取指电路从外部存储器系统与控制信号的第一状态相对应的取指地址间址取指。

用外部存储器系统的数据处理器的操作方法亦被说明，这种方法有在分支预测单元中有如下步，接收分支指令，对应于分支指令预测取指地址，存储未决定的分支指令数并形成控制信号。在第一种操作方式中，控制信号对应的第一种和第二种逻辑状态，分别对应于未决定的分支指令数小于等于第一预选择数及大于第一预选择数，在第二种操作方式中，控制信号对应的第一种和第二种逻辑状态分别对应于未决定的分支指令数小于等于第二预选择数及大于第二预选择数。这种方法还包括在同分支预测单元相联的指令取指电路中，对应于控制信号从外部存储系统中取指令的步骤。

通过结合附图的译细说明将会清楚的了解。本发明的特点和优点这些图号对应的部件如下：

图1根据本发明描绘了数据处理系统的框图结构。

图2描绘了在图1中描绘的数据处理器的框图。

图3描绘了在图2中描绘的分支单元的方框图。

图4描绘了在图2中描绘的指令高速缓存的框图。

图5描绘了在图4中描绘的指令高速缓存逻辑单元的状态转换图。

图6描绘了在图2中描绘的总线接口单元的框图。