專利名稱：用于多模式分支預(yù)測器的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于多模式分支預(yù)測器的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，超標(biāo)量計(jì)算機(jī)(即，每一時(shí)鐘周期可以執(zhí)行多于一個(gè)指令 的具有多個(gè)處理組件的計(jì)算機(jī))可以被用于高級的、計(jì)算密集的應(yīng)用。通常，超標(biāo)量計(jì)算機(jī) 會采用一個(gè)或多個(gè)流水線處理器，其可以被用于低級指令"擠壓(crunching)"，以更好地處 理某些計(jì)算密集的過程。在計(jì)算機(jī)編程的層級中，這種過程可以被實(shí)現(xiàn)為指令集，所述指令 集是稱為指令分支或更簡單地稱為分支的子程序的一部分。通過這樣的方式，分支可以執(zhí) 行或者也可以不執(zhí)行，這取決于整個(gè)程序的各個(gè)方面的執(zhí)行。為了幫助這種計(jì)算密集的分 支，有時(shí)在程序執(zhí)行期間遇到分支的指令之前提前執(zhí)行該分支的指令。分支預(yù)測器可以是 流水線處理器的一部分，或可以與流水線處理器協(xié)同工作，并且可以幫助確定計(jì)算機(jī)程序 中的條件分支是否可能被采用。 預(yù)測是否預(yù)先執(zhí)行分支經(jīng)常被稱作分支預(yù)測。分支預(yù)測器在用于實(shí)現(xiàn)更好性能的 當(dāng)今的現(xiàn)代超標(biāo)量處理器中是很普遍的。有效的分支預(yù)測器允許處理器取出并執(zhí)行指令 集，而不必首先等待分支被執(zhí)行或解析。許多流水線處理器執(zhí)行某種形式的分支預(yù)測，因?yàn)?通過使用未分配的計(jì)算資源(即，流水線)提前開始執(zhí)行復(fù)雜的分支可以節(jié)省執(zhí)行時(shí)間。通 過正確地預(yù)測當(dāng)操作程序到達(dá)分支時(shí)分支將被執(zhí)行允許節(jié)省時(shí)間，因?yàn)槲捶峙涞挠?jì)算能力 較早地而不是較遲地被占用。照此，任何分支預(yù)測器盡可能地精確可能是有利的。也就是 說，開始執(zhí)行最終沒有被采用的分支中的指令集，使得開始執(zhí)行最終沒有采用的分支的任 何流水線處理器可能不得不清除(flush)(即，刪除)其計(jì)算是對計(jì)算時(shí)間和功率的浪費(fèi)。 也就是說，這種提前執(zhí)行沒有采用的分支中的指令一般不會提供有用的結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種計(jì)算模塊，包括第一分支預(yù)測模塊，用于根據(jù) 第一分支預(yù)測模式產(chǎn)生對應(yīng)于分支預(yù)測的第一預(yù)測值；第二分支預(yù)測模塊，用于根據(jù)第二 分支預(yù)測模式產(chǎn)生對應(yīng)于分支預(yù)測的第二預(yù)測值；以及計(jì)算模塊，用于基于第一分支預(yù)測 值和第二分支預(yù)測值產(chǎn)生對應(yīng)于數(shù)學(xué)計(jì)算的第三預(yù)測值。 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于預(yù)測執(zhí)行分支指令的方法，該方法包括基 于第一預(yù)測模式，產(chǎn)生第一臨時(shí)預(yù)測值；基于第二分支預(yù)測模式，產(chǎn)生第二臨時(shí)分支預(yù)測 值；基于第一和第二臨時(shí)分支預(yù)測值，計(jì)算最終分支預(yù)測值；以及如果最終分支預(yù)測滿足 預(yù)定條件，執(zhí)行該分支指令。 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種分支預(yù)測器，包括程序計(jì)數(shù)寄存器，用于存儲 程序計(jì)數(shù)值；分支歷史寄存器，用于存儲分支歷史值；具有多個(gè)預(yù)測值的預(yù)測哈希表，每一 個(gè)預(yù)測值唯一對應(yīng)于多個(gè)存儲位置；以及預(yù)測組件，用于接收與第一存儲位置有關(guān)的第一 預(yù)測值，其對應(yīng)于程序計(jì)數(shù)值；接收與第二存儲位置有關(guān)的第二預(yù)測值，其對應(yīng)于程序計(jì)數(shù)
5值和分支歷史值的邏輯組合；以及基于第一和第二預(yù)測值產(chǎn)生整體預(yù)測值。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種流水線處理器，包括處理器控制器；以及處理
器，其具有與所述控制器耦合的分支預(yù)測器，該分支預(yù)測器還包括第一分支預(yù)測模塊，用
于根據(jù)第一分支預(yù)測模式產(chǎn)生對應(yīng)于分支預(yù)測的第一預(yù)測值；第二分支預(yù)測模塊，用于根
據(jù)第二分支預(yù)測模式產(chǎn)生對應(yīng)于分支預(yù)測的第二預(yù)測值；以及計(jì)算模塊，用于基于第一分
支預(yù)測值和第二分支預(yù)測值產(chǎn)生對應(yīng)于數(shù)學(xué)計(jì)算的第三預(yù)測值。 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括處理單元；通過系統(tǒng)總線與 處理單元耦合的存儲器；以及流水線處理器，其被布置為處理單元的一部分，且用于與存儲 器通信，該流水線處理器還用于通過以下步驟預(yù)測指令分支的執(zhí)行基于第一預(yù)測模式，產(chǎn) 生第一臨時(shí)預(yù)測值；基于第二分支預(yù)測模式，產(chǎn)生第二臨時(shí)分支預(yù)測值；基于第一和第二 臨時(shí)分支預(yù)測值，計(jì)算最終分支預(yù)測值；以及如果最終分支預(yù)測值超過閾值，傳送執(zhí)行該指 令分支的指令。 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種具有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所 述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令用于基于第一預(yù)測模式，產(chǎn)生第一臨時(shí)預(yù)測值；基于第二分支預(yù)測 模式，產(chǎn)生第二臨時(shí)分支預(yù)測值；基于第一和第二臨時(shí)分支預(yù)測值，計(jì)算最終分支預(yù)測值； 以及如果最終分支預(yù)測滿足預(yù)定條件，執(zhí)行分支指令。


當(dāng)結(jié)合附圖時(shí)，參考下列詳細(xì)說明，在此公開的主題的實(shí)施例將變得更容易領(lǐng)會，
同時(shí)變得更好理解。
圖1是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的適合的超標(biāo)量計(jì)算環(huán)境的示圖，其中可以
實(shí)現(xiàn)用于分支預(yù)測的系統(tǒng)和方法。 圖2是使用一般被稱為Gshare預(yù)測模式的預(yù)測模式的分支預(yù)測器的示圖。
圖3是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的使用第一和第二分支預(yù)測模式的組合以 產(chǎn)生分支預(yù)測值的分支預(yù)測器的示圖。 圖4是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的預(yù)測執(zhí)行分支的可能性的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下提供的討論使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠作出和使用在此公開的主題。此處所述的 一般原理可以應(yīng)用于除以上詳細(xì)描述以外的實(shí)施例和應(yīng)用，而沒有脫離在此公開的主題的 精神和范圍。本公開不打算限于所示的實(shí)施例，而是與符合在此公開或建議的原理和特征 的最寬范圍相一致。 通過以下關(guān)于圖3更詳細(xì)描述的實(shí)施例的概述，分支預(yù)測器可以包括用來存儲程 序計(jì)數(shù)值的程序計(jì)數(shù)寄存器，以及用來存儲分支歷史值的分支歷史寄存器。此外，分支預(yù)測 器可以包括具有多個(gè)預(yù)測值的預(yù)測哈希表，每個(gè)預(yù)測值唯一地對應(yīng)于多個(gè)存儲位置。利用 這些組件，分支預(yù)測器可以產(chǎn)生對應(yīng)于程序計(jì)數(shù)值的第一預(yù)測值，并且可以產(chǎn)生對應(yīng)于程 序計(jì)數(shù)值和分支歷史值的邏輯組合的第二預(yù)測值。利用從兩個(gè)不同的預(yù)測模式中獲得的這 兩個(gè)預(yù)測值，分支預(yù)測器可以更適于基于第一和第二預(yù)測值產(chǎn)生整體預(yù)測值，該整體預(yù)測 值比基于單一預(yù)測模式的單一預(yù)測值更精確。以下關(guān)于圖l-4更詳細(xì)地描述以上組件和概念。 圖1及以下論述旨在提供適當(dāng)?shù)挠?jì)算環(huán)境的簡短的一般說明，在該計(jì)算環(huán)境中在 此公開的主題可以被實(shí)現(xiàn)。盡管沒有要求，該系統(tǒng)和方法的各方面將在計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令 的一般環(huán)境中描述，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令諸如通過基于計(jì)算機(jī)的軟件組件、基于計(jì)算機(jī) 的硬件組件或邏輯組件執(zhí)行的程序或計(jì)算模塊。 一般來講，計(jì)算模塊可以包括執(zhí)行特定的 任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)特定的抽象數(shù)據(jù)類型的例程、程序、對象、組件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。此外，本領(lǐng)域技術(shù) 人員將理解在此公開的主題可以利用其他的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置實(shí)現(xiàn)，包括手持設(shè)備、蜂窩或
移動電話、多處理器系統(tǒng)、基于微處理器的或可編程的消費(fèi)者電子設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)PC、小型計(jì)算 機(jī)、主計(jì)算機(jī)等。各種方法還可以在分布式計(jì)算環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，其中通過經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)鏈接的 遠(yuǎn)程處理設(shè)備執(zhí)行任務(wù)。在分布式計(jì)算環(huán)境中，計(jì)算模塊可以位于本地和遠(yuǎn)程存儲器存儲 設(shè)備中。 參考圖l，用于實(shí)現(xiàn)在此公開的系統(tǒng)和方法的示例性系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)120形式的 通用計(jì)算設(shè)備，其包括一個(gè)或多個(gè)處理單元121、系統(tǒng)存儲器122和耦合包括系統(tǒng)存儲器的 各種系統(tǒng)組件到處理單元121的系統(tǒng)總線123。該處理單元121可以包括組成流水線處理 單元190的一個(gè)或多個(gè)子處理器，其使處理單元121能夠在每一時(shí)鐘周期執(zhí)行多于一個(gè)指 令。這種流水線處理單元190可以包括單個(gè)集成電路芯片或可以被布置為若干集成電路上 的若干電路。 一般，具有流水線操作能力的處理器121被設(shè)計(jì)成利用可以半獨(dú)立地執(zhí)行相 關(guān)指令的若干相關(guān)邏輯處理鏈。處理器121的這種計(jì)算機(jī)構(gòu)(organization)允許整個(gè)處 理時(shí)間被顯著地減少。進(jìn)一步，處理器121可以是向量處理器，其可以在大數(shù)據(jù)集上執(zhí)行相 同的指令。 系統(tǒng)總線123可以是若干類型總線結(jié)構(gòu)中的任何一種，包括使用多種總線體系 結(jié)構(gòu)的任何一種的存儲器總線或存儲控制器、外圍總線和本地總線。舉例來說，而不是 限制，這種體系結(jié)構(gòu)包括工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(ISA)總線、微通道體系結(jié)構(gòu)(MCA)總線、增強(qiáng)的 ISA (EISA)總線、視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(VESA)本地總線和外圍組件互連(PCI)總線，其也被稱 為Mezzanine總線。 系統(tǒng)存儲器包括只讀存儲器(ROM) 124和隨機(jī)存取存儲器(RAM) 125。包含例如在 啟動期間幫助在個(gè)人計(jì)算機(jī)120內(nèi)的元件之間傳輸信息的基本例程的基本輸入/輸出系統(tǒng) (BIOS) 126被存儲在ROM 124中。個(gè)人計(jì)算機(jī)120還包括硬盤驅(qū)動器127，用于從硬盤(未 示出)讀出和寫入到硬盤；磁盤驅(qū)動器128，用于從可移動磁盤129讀出或?qū)懭氲娇梢苿哟?盤129 ;以及光盤驅(qū)動器130，用于從可移動光盤131(諸如CD R0M或其他光學(xué)介質(zhì))讀出或 寫入到可移動光盤131。硬盤驅(qū)動器127、磁盤驅(qū)動器128和光盤驅(qū)動器130分別通過硬盤 驅(qū)動器接口 132、磁盤驅(qū)動器接口 133和光驅(qū)接口 134而連接到系統(tǒng)總線123。驅(qū)動器及其 相關(guān)的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)提供用于個(gè)人計(jì)算機(jī)120的計(jì)算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊 和其他數(shù)據(jù)的非易失性存儲。盡管此處所述的示例性環(huán)境采用硬盤、可移動磁盤129和可 移動光盤131，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以存儲由計(jì)算機(jī)可訪問的數(shù)據(jù)的其他類型的計(jì) 算機(jī)可讀介質(zhì)也可以用于該示例性操作環(huán)境，諸如磁帶、閃存卡、數(shù)字多用途盤、Bernoulli 盒式磁帶、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)等。 許多程序或計(jì)算模塊可以被存儲在硬盤、磁盤129、光盤131、 ROM 124或RAM 125 上，包括操作系統(tǒng)135、一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用程序136、其他程序模塊137和程序數(shù)據(jù)138。用戶定點(diǎn)(pointing)裝置142的輸入設(shè)備輸入命令和信息到個(gè)人計(jì) 算機(jī)120中。這些和其他輸入設(shè)備常常通過耦合到系統(tǒng)總線的串行端口接口 146而連接到 處理單元121，但也可以通過其他接口連接，例如并行端口 、高速數(shù)據(jù)端口或通用串行總線 (USB)。監(jiān)視器147或其他類型的顯示裝置也可以經(jīng)由諸如視頻適配器148之類的接口與 系統(tǒng)總線123連接。 在圖1的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)120的環(huán)境中，分支預(yù)測器可以用存儲器內(nèi)的程序模塊的形 式實(shí)現(xiàn)?？蛇x地，這種分支預(yù)測器可以被實(shí)現(xiàn)為在處理單元的基于硬件的組件內(nèi)的計(jì)算模 塊。以下關(guān)于圖2-4描述用于分支預(yù)測的方法的系統(tǒng)的各種實(shí)施例。 圖2是使用稱作Gshare預(yù)測模式的單一預(yù)測模式的分支預(yù)測器200的示圖。正 如本領(lǐng)域中可以理解的，圖2的分支預(yù)測器200可以被實(shí)現(xiàn)為在存儲器內(nèi)實(shí)現(xiàn)的計(jì)算模塊 或計(jì)算模塊組，或?qū)崿F(xiàn)為可以是圖1的處理單元121的一部分的邏輯組件。進(jìn)一步，這種分 支預(yù)測器200可以通過在專用集成電路(IC)上的邏輯組件實(shí)現(xiàn)，其可以是諸如圖1的流水 線處理單元190的子處理器的一部分?？梢栽O(shè)想其他實(shí)施例。 任何分支預(yù)測器，特別地，圖2的分支預(yù)測器200，可以利用許多分支的行為可能 與其他最近采用的分支的歷史有密切關(guān)系的概念。因此，分支預(yù)測器200可以包括分支歷 史寄存器212，其包括關(guān)于其它最近遇到的分支是否已被采用的數(shù)據(jù)。這種最近的歷史數(shù)據(jù) 然后可以被用于預(yù)測下一分支是否將被采用。 如上所述，希望盡可能地增加分支預(yù)測器的效率，因?yàn)闉樽罱K未被采用的特定分 支開始的任何指令執(zhí)行需要從流水線中清除(即，丟棄到?jīng)]用的結(jié)果)。因而，Gshare分支 預(yù)測器200可以利用來自程序計(jì)數(shù)寄存器210的程序計(jì)數(shù)值以及來自分支歷史寄存器212 的分支歷史值，以在分支預(yù)測寄存器260處產(chǎn)生分支預(yù)測值。該分支預(yù)測值然后可以被用 于預(yù)測是否將采用該特定分支。 在程序操作期間，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)分支預(yù)測。觸發(fā)條件可以是任意數(shù) 目的典型的操作情況，諸如在程序計(jì)數(shù)寄存器210達(dá)到特定值(例如，分支指令本身，在分 支指令之前的五個(gè)指令)，前一相關(guān)分支已經(jīng)開始執(zhí)行，等等。因此，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)，來 自程序計(jì)數(shù)寄存器210的當(dāng)前程序計(jì)數(shù)值和來自分支歷史寄存器212的當(dāng)前分支歷史值可 被用于產(chǎn)生如下進(jìn)一步所述的索引值。 該索引值可以是程序計(jì)數(shù)值和分支歷史值的邏輯組合(或其他數(shù)學(xué)組合)。在一 個(gè)實(shí)施例中，這兩個(gè)值的邏輯組合可以是這兩個(gè)值的每一位的異或函數(shù)220(X0R函數(shù))。因 此，當(dāng)產(chǎn)生索引值時(shí)，索引值的每一位可以根據(jù)在相應(yīng)操作數(shù)中的每一位，(即，來自相應(yīng)程 序計(jì)數(shù)值和分支歷史值的每一位)產(chǎn)生。分支寄存器值的第一位可以與程序計(jì)數(shù)值的第一 位相比較，以產(chǎn)生結(jié)果索引值的第一位。如果這兩個(gè)值相同(即，都是0或都是1)，那么在 產(chǎn)生的索引值中的結(jié)果位可以被設(shè)置為O。然而如果一個(gè)位或另一位可能是l，那么在產(chǎn)生 的索引值中的結(jié)果位可能是1。該操作可以對在相應(yīng)操作數(shù)的值中的每一位執(zhí)行，使得結(jié)果 索引值可以是程序計(jì)數(shù)值和分支歷史值的異或函數(shù)。 —旦產(chǎn)生索引值，它可以在預(yù)測哈希表230(raT)中被交叉引用，以識別對應(yīng)的預(yù) 測值。該P(yáng)HT 230可以是具有若干預(yù)測值234的查找表，每一個(gè)預(yù)測值唯一對應(yīng)于具有任何 可能的索引值232中的每一個(gè)的存儲位置。因此，對于可以是n位長的索引值，PHT 230可 以具有2n個(gè)索引值232條目，每一個(gè)條目具有唯一相關(guān)的預(yù)測值234。每個(gè)預(yù)測值234可以
8是對應(yīng)于整數(shù)0、1、2或3的2位二進(jìn)制值。隨著在raT 230中產(chǎn)生和識別索引值232(即， 存儲位置基于索引值240被識別)，結(jié)果預(yù)測值234可以被識別。如圖2的例子中所示，結(jié) 果索引值240 "010011100101"被識別，且預(yù)測值234a "OO"可以被預(yù)測。
預(yù)測值234a然后可以被用于確定該分支是否應(yīng)該被加載到處理組件中(即，預(yù)測 開始執(zhí)行該分支)或不應(yīng)該被加載(即，預(yù)測不加載該分支)。在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)測值O 或1可能對應(yīng)于不加載該分支的預(yù)測，而預(yù)測值2或3可能對應(yīng)于加載該分支的預(yù)測。在 圖2的例子中，2位二進(jìn)制值"00"可以是對應(yīng)于不提前開始執(zhí)行該分支的預(yù)測的預(yù)測值0。
圖2的分支預(yù)測器具有的一個(gè)特定問題是索引值240的產(chǎn)生可能不總是得到要采 用的特定預(yù)測的唯一識別。例如，取決于分支歷史寄存器212的內(nèi)容，相同的索引值234可 以基于兩個(gè)不同的預(yù)測請求產(chǎn)生。這種非獨(dú)占性可能對僅僅使用Gshare預(yù)測模式(S卩，單 一預(yù)測模式)識別預(yù)測值234的分支預(yù)測器200是固有的。結(jié)果，可能導(dǎo)致精確預(yù)測分支 是否被采用的可度量誤差率，因?yàn)樘囟ㄋ饕?40可能被分支歷史寄存器212和程序計(jì)數(shù) 寄存器210的多于一個(gè)的邏輯組合交叉引用。通過簡單的4位例子，當(dāng)進(jìn)行索引時(shí)，程序計(jì) 數(shù)值"1101"(其可能對應(yīng)于分支A的觸發(fā)條件)和分支歷史值"1010"(其可以表示上四 個(gè)分支是采用_不采用_采用_不采用)產(chǎn)生XOR索引值"Ol 11 "。類似地，當(dāng)進(jìn)行索引時(shí)， 明顯不同的程序計(jì)數(shù)值"0110"(其可能對應(yīng)于觸發(fā)條件分支B)和分支歷史值"0001"同樣 產(chǎn)生XOR索引值"0111 "。因此，對于這兩個(gè)對應(yīng)于需要兩個(gè)不同分支的預(yù)測的單獨(dú)的觸發(fā) 條件，可以產(chǎn)生相同的索引值240。這導(dǎo)致raT 230干擾，因?yàn)榭赡軟]有方法區(qū)分是分支A 還是分支B正在被預(yù)測。預(yù)測中的這種誤差可能以不可接受的比率發(fā)生。然而，可以通過 引入如以下圖3中所示的實(shí)施例所描述的第二預(yù)測模式而減少這種誤差率。
圖3是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例使用第一和第二分支預(yù)測模式產(chǎn)生分支預(yù) 測值的分支預(yù)測器300的示圖。這種分支預(yù)測器300可以以硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)實(shí)施 例中，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)，來自程序計(jì)數(shù)寄存器310的程序計(jì)數(shù)值311和來自分支歷史寄存 器312的分支歷史值313可被用于產(chǎn)生兩個(gè)索引值。如上所述，第一索引值340可以是程 序計(jì)數(shù)值311和分支歷史值313的邏輯組合。不同于圖2的分支預(yù)測器200，可以產(chǎn)生第二 索引值341，其例如逐位地對應(yīng)于程序計(jì)數(shù)寄存器310中的程序計(jì)數(shù)值311。通過這樣的方 式，兩個(gè)索引值340和341可被用于產(chǎn)生如以下進(jìn)一步描述的整體結(jié)果預(yù)測值。
如圖3的實(shí)施例中所示，程序計(jì)數(shù)寄存器310和分支歷史寄存器312被顯示為12 位寄存器。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以使用任意大小的寄存器，并且所用的寄存器的大 小可以不必等于全局程序計(jì)數(shù)器(未示出)的大小。為了節(jié)省大小和計(jì)算的問題，圖3的 寄存器的大小可以對應(yīng)于全局程序計(jì)數(shù)器的字大小的截去值(truncated value)，例如64 位程序計(jì)數(shù)器的12個(gè)最低有效位。 在產(chǎn)生第一索引值340中，程序計(jì)數(shù)寄存器310和分支歷史寄存器312中的值的 邏輯組合也可以是這兩個(gè)值的每一位的異或函數(shù)320(X0R函數(shù))。在可選實(shí)施例中，除XOR 函數(shù)以外的邏輯操作可被用于產(chǎn)生第一索引值340。例如，該邏輯操作可以是0R函數(shù)或AND 函數(shù)。 此外，第二索引值341也可以被識別。在這個(gè)實(shí)施例中，第二索引值341可能逐位 地對應(yīng)于程序計(jì)數(shù)值311或根據(jù)第一預(yù)測模式的某些其它的識別值。 —旦產(chǎn)生每個(gè)索引值340和341，每一個(gè)可以被交叉引用到預(yù)測哈希表330(raT)中的相應(yīng)存儲位置，以識別相應(yīng)預(yù)測值334。如前所述，PHT 330可以是具有若干預(yù)測值334 的查找表，每一個(gè)預(yù)測值唯一對應(yīng)于任何可能的索引值332。再次，每個(gè)預(yù)測值334可以是 對應(yīng)于整數(shù)0、1、2或3的2位二進(jìn)制值。隨著可在raT 330中產(chǎn)生和識別索引值332，結(jié)果 預(yù)測值334可以被識別。如圖3的例子中所示，"010011100001 "的第一結(jié)果索引值340可 以被識別，且"00"(即0)的預(yù)測值334a可以被預(yù)測。類似地，"010011101011"的第二結(jié) 果索引值341可以被識別(其可以是與程序計(jì)數(shù)寄存器310中的同一值)，且"11"(即3) 的預(yù)測值334b可以被預(yù)測。這兩個(gè)預(yù)測值可以被稱為臨時(shí)(interim)預(yù)測值。
—旦兩個(gè)臨時(shí)預(yù)測值334a和334b的每一個(gè)都被識別( 一個(gè)對應(yīng)于利用第一預(yù)測 模式的第一索引值340， 一個(gè)對應(yīng)于利用第二預(yù)測模式的第二索引值341)，函數(shù)單元350可 以數(shù)學(xué)上基于這兩個(gè)臨時(shí)值產(chǎn)生整體預(yù)測值。該整體預(yù)測值也可以被稱為最終預(yù)測值。在 一個(gè)實(shí)施例中，函數(shù)單元350可以包含求和函數(shù)，其將兩個(gè)臨時(shí)預(yù)測值334a和334b加在一 起，使得每個(gè)2位臨時(shí)值可被用于產(chǎn)生3位最終預(yù)測值。也就是說，由0、1、2或3的2位二 進(jìn)制值表示的第一和第二臨時(shí)值334a和334b可以被加在一起，以產(chǎn)生可能是0_7的值的 3位二進(jìn)制最終預(yù)測值。 通過利用兩個(gè)預(yù)測模式產(chǎn)生兩個(gè)臨時(shí)預(yù)測值334a和334b，用于確定是否開始執(zhí) 行分支的預(yù)定條件或閾值還可以通過因子2來調(diào)節(jié)。因此，可以被發(fā)送到預(yù)測寄存器360 的是0-7的3位二進(jìn)制值的最終預(yù)測值，如果該值是4、5、6或7可以產(chǎn)生執(zhí)行分支的預(yù)測， 且如果該值是0、1、2或3可以產(chǎn)生不開始執(zhí)行分支的預(yù)測。 在可選實(shí)施例中，函數(shù)單元350可以是平均值函數(shù)，這樣每個(gè)臨時(shí)預(yù)測的整數(shù)值 可以被求和并除以2(例如兩個(gè)臨時(shí)值的平均)。這可能導(dǎo)致非整數(shù)，且預(yù)測寄存器360可 以是能夠存儲非整數(shù)的浮點(diǎn)寄存器。因此，如果預(yù)測寄存器360持有等于或大于2. 0的數(shù) 值，可以作出開始執(zhí)行該分支的預(yù)測。如果預(yù)測寄存器360持有小于2. 0的數(shù)值，可以作出 不加載該分支以執(zhí)行的預(yù)測。 更進(jìn)一步，可以在函數(shù)單元350實(shí)現(xiàn)附加的函數(shù)，諸如加權(quán)和，其中對第一臨時(shí)預(yù) 測值的加權(quán)可以是，第二臨時(shí)預(yù)測值的例如兩倍。 當(dāng)作出預(yù)測，通常進(jìn)行程序的整體執(zhí)行。如果作出采用分支的預(yù)測，那么分支指令 被加載到流水線處理器(等等)中以立即執(zhí)行。如果分支實(shí)際上在整體程序的環(huán)境內(nèi)被采 用，那么該預(yù)測是正確的。當(dāng)然，如果分支最終沒有被采用，那么該預(yù)測是不正確的，且流水 線被清除，使得已經(jīng)執(zhí)行的任何指令都被丟棄。為了提供更好的預(yù)測率，可以根據(jù)該特定分 支實(shí)際上是否被采用而更新分支歷史寄存器312和與第一和第二索引值相關(guān)的特定預(yù)測 值。 當(dāng)更新分支歷史寄存器312時(shí)，移位寄存器370可被用于移位到分支歷史寄存器 312的最高有效位371。也就是說，可以用正被移位的新值替換最高有效位，且每位可以被 右移一位，使得最低有效位可以被移出并丟棄。因此，如果分支實(shí)際上被采用，位l可以被 移到分支歷史寄存器312中，而如果分支最終沒有被采用，那么位0可以被移到分支歷史寄 存器312中。進(jìn)一步，在另一個(gè)實(shí)施例中，分支歷史寄存器312的最低有效位可以被移位 (從而，丟棄已有的最高有效位，同時(shí)所有其他的左移)。 在一個(gè)實(shí)施例中，分支歷史寄存器312是全局寄存器。也就是說，表示分支是否已 經(jīng)被采用的位對應(yīng)于所有分支。例如，如果分支A、B、C和D是要預(yù)測的最后四個(gè)分支，且實(shí)
10際上所有四個(gè)被采用，那么移位到分支歷史寄存器中的最后四位將全部是1 。在其它實(shí)施例 中，每個(gè)分支可以與它自己的專用分支歷史寄存器312有關(guān)。盡管沒有在圖3示出，在程序 中的每個(gè)分支可能有一個(gè)分支歷史寄存器。在這方面，包含在特定分支歷史寄存器中的僅 有數(shù)據(jù)將是對應(yīng)于一個(gè)特定分支的歷史的數(shù)據(jù)。 進(jìn)一步，對于特定分支，也可以根據(jù)該分支實(shí)際上是否被采用而更新對應(yīng)于第一 和第二索引值340和341的PHT預(yù)測值334a和334b。在一個(gè)實(shí)施例中，如果相關(guān)預(yù)測值 334a和334b小于閾值，且該分支實(shí)際上被采用，那么這個(gè)值可能被增加1。同樣地，如果該 分支實(shí)際上沒有被采用，且預(yù)測值大于閾值，那么每個(gè)預(yù)測值可能被減小1。
在另一個(gè)實(shí)施例中，相關(guān)預(yù)測值334a和334b可以相應(yīng)地被增加或減小，無論當(dāng)前 預(yù)測值334a和334b是大于還是小于閾值。也就是說，如果分支被采用，每個(gè)相關(guān)預(yù)測值可 以增加1 (只要該值還未達(dá)到最大值3)，且如果分支沒有被采用，那么每個(gè)關(guān)聯(lián)預(yù)測值可以 減小1(同樣，只要該預(yù)測值還未達(dá)到最小值0)。以下描述在圖4的程序流程圖的環(huán)境中的 這些及其他概念。 圖4是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例預(yù)測執(zhí)行分支的可能性的方法的流程圖。在 該方法中，可以基于來自具有第一值的第一位置(例如，程序計(jì)數(shù)寄存器)的數(shù)據(jù)以及來自 具有第二值的第二位置(例如，分支歷史寄存器)的數(shù)據(jù)作出特定分支是否將被執(zhí)行的預(yù) 測。該方法起始于步驟400，并繼續(xù)到步驟402，其中觸發(fā)條件可以被滿足，使得分支預(yù)測器 基于上述數(shù)據(jù)集而產(chǎn)生預(yù)測。這種觸發(fā)條件可以是通過程序計(jì)數(shù)器中的特定地址位置，或 可以是預(yù)測相關(guān)分支將被采用(或已經(jīng)被采用)。設(shè)想任意數(shù)目的觸發(fā)條件，但為了簡便起 見不進(jìn)一步討論。 —旦滿足觸發(fā)條件，該方法移到步驟404，其中可以基于要預(yù)測的特定分支確定第 一值(例如程序計(jì)數(shù)值)。該值可以是對應(yīng)于要預(yù)測的分支的地址，或可以是另一個(gè)相關(guān)地 址，諸如觸發(fā)條件的地址。 一旦已經(jīng)確定第一值，兩個(gè)附加的步驟然后可以發(fā)生。
首先，在步驟410，第一值可以通過算法用第二值進(jìn)行修改。如上所述，該函數(shù)可以 是XOR函數(shù)，該XOR函數(shù)邏輯上組合第一值和第二值，產(chǎn)生結(jié)果索引值。然后，對于結(jié)果索 引值可以確定PHT地址，其中對應(yīng)于該P(yáng)HT地址的預(yù)測值可以在步驟412確定。如上所述， 該值可以是對應(yīng)于0、1、2或3的二位二進(jìn)制值。 此外，在步驟406，第一值還可以被用于直接存取在PHT中的另一個(gè)特定條目。也 就是說，沒有以任何方式修改第一值，使得對應(yīng)于該P(yáng)HT地址的特定預(yù)測值可以被確定。在 這兩個(gè)步驟后，獲取兩個(gè)不同的預(yù)測值，一個(gè)對應(yīng)于第一索引值(即，XOR結(jié)果)，一個(gè)對應(yīng) 于第二索引值(即，第一值)。 接下來，在步驟420，兩個(gè)檢索的預(yù)測值的每一個(gè)可以在數(shù)學(xué)上被組合在一起。該 組合可以是對應(yīng)于該相關(guān)預(yù)測值的該兩個(gè)二進(jìn)制值的簡單相加。因而，可以基于兩個(gè)取得 的預(yù)測值的算術(shù)組合確定最終預(yù)測值。 在判定步驟425，比較器確定整體預(yù)測值是否滿足特定條件。例如，最終預(yù)測值可 以等于或大于閾值(例如，等于或大于4)。如果是這樣，那么可以預(yù)測將采用該分支。然后 在步驟430，指令可以被傳送到控制處理器，以啟動加載分支的指令到流水線處理器等。然 而如果整體預(yù)測值不滿足特定條件，(例如，該值小于或等于3)，那么可能不采取動作，即 不像在步驟430中的那樣傳送加載分支的指令。
設(shè)想其它實(shí)施例，其中第一值可以對應(yīng)于分支歷史值，第二值可以對應(yīng)于程序計(jì) 數(shù)值。進(jìn)一步，其他與程序相關(guān)的值可以被用作參與作出預(yù)測的值，諸如具有偏移量的全局 程序計(jì)數(shù)器、PC地址計(jì)數(shù)器、子例程計(jì)數(shù)器等等。更進(jìn)一步，多于兩個(gè)的值可以被組合以產(chǎn) 生臨時(shí)值之一。因而分支歷史寄存器、程序計(jì)數(shù)值和PC地址計(jì)數(shù)器的邏輯組合可被用于確 定用于預(yù)測的臨時(shí)值。 在又一個(gè)實(shí)施例中，多于兩個(gè)的臨時(shí)預(yù)測值可以被確定，其中每個(gè)臨時(shí)預(yù)測值可 以用數(shù)學(xué)方式被組合，以確定整體預(yù)測值。 接下來，可以根據(jù)分支實(shí)際上是否被采用而更新PHT預(yù)測值和分支歷史寄存器兩 者。在判定步驟435，可以確定特定分支實(shí)際上是否被采用(與預(yù)測無關(guān))。如果該分支被 采用，那么在步驟440，在對應(yīng)于這兩個(gè)索引值的PHT的兩個(gè)位置中的預(yù)測值可以以二進(jìn)制 方式增加1 (例如，00增加到01， 10增加到11等)。進(jìn)一步，該方法繼續(xù)到步驟445，其中對 應(yīng)于該分支實(shí)際上是否被采用的值可以被移位到分支歷史寄存器。也就是說，如果該分支 實(shí)際上被采用，那么l可以被移位到分支歷史寄存器的最低有效位。當(dāng)然，這使寄存器中的 每一位也左移一個(gè)有效位，且最高有效位可以被移出寄存器并丟棄。 然而，如果該分支最終沒有被采用，那么在步驟450，在對應(yīng)于這兩個(gè)索引值的
PHT的兩個(gè)位置中的預(yù)測值可以以二進(jìn)制方式減小1(例如，01減小到00，10減小到01等)。
進(jìn)一步，該方法繼續(xù)到步驟455，其中對應(yīng)于該分支實(shí)際上是否被采用的值可以被移位到分
支歷史寄存器中。也就是說，如果該分支沒有被采用，O可以被移位到分支歷史寄存器的最
低有效位。在更新PHT表和分支歷史寄存器后，該方法在步驟460結(jié)束。 雖然在此討論的主題易受各種修改和可選結(jié)構(gòu)，其某些舉例說明的實(shí)施例在附圖
中示出，并已經(jīng)如上被詳細(xì)描述。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在并非所有實(shí)施例內(nèi)描述
的各個(gè)方面可以存在于任意實(shí)施例中。然而應(yīng)該理解，不打算限制該主題為公開的特定形
式，相反，打算覆蓋全部落在公開的主題的精神和范圍內(nèi)的修改、可選結(jié)構(gòu)和等價(jià)物。
權(quán)利要求
一種計(jì)算模塊，包括第一分支預(yù)測模塊，用于根據(jù)第一分支預(yù)測模式產(chǎn)生對應(yīng)于分支預(yù)測的第一預(yù)測值；第二分支預(yù)測模塊，用于根據(jù)第二分支預(yù)測模式產(chǎn)生對應(yīng)于分支預(yù)測的第二預(yù)測值；以及計(jì)算模塊，用于基于第一分支預(yù)測值和第二分支預(yù)測值產(chǎn)生對應(yīng)于數(shù)學(xué)計(jì)算的第三預(yù)測值。
2. 如權(quán)利要求1所述的計(jì)算模塊，其中第一預(yù)測模式包括產(chǎn)生對應(yīng)于程序計(jì)數(shù)值的預(yù) 測值，第二預(yù)測模式包括產(chǎn)生對應(yīng)于程序計(jì)數(shù)值和另一值的邏輯組合的預(yù)測值。
3. 如權(quán)利要求2所述的計(jì)算模塊，其中邏輯組合還包括程序計(jì)數(shù)值和分支歷史值的 X0R函數(shù)。
4. 如權(quán)利要求1所述的計(jì)算模塊，還包括預(yù)測哈希表，其用于存儲多個(gè)預(yù)測值，每一個(gè) 預(yù)測值唯一對應(yīng)于存儲位置。
5. 如權(quán)利要求1所述的計(jì)算模塊，還包括歷史寄存器，用于存儲多個(gè)位，每一位對應(yīng)于 分支的前次執(zhí)行。
6. 如權(quán)利要求5所述的計(jì)算模塊，還包括與分支歷史寄存器耦合的移位寄存器，該移 位寄存器用于基于分支的執(zhí)行來將位值移位到歷史寄存器的最低有效位。
7. 如權(quán)利要求1所述的計(jì)算模塊，還包括執(zhí)行模塊，用于響應(yīng)于滿足預(yù)定條件的第三 預(yù)測值開始執(zhí)行指令。
8. 如權(quán)利要求1所述的計(jì)算模塊，其中第一預(yù)測模式包括產(chǎn)生對應(yīng)于第一值的預(yù)測 值，第二預(yù)測模式包括產(chǎn)生對應(yīng)于第一值、第二值和第三值的邏輯組合的預(yù)測值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的計(jì)算模塊，還包括第三分支預(yù)測模塊，用于根據(jù)第三分支預(yù)測模式產(chǎn)生對應(yīng)于分支預(yù)測的第四預(yù)測值； 以及其中計(jì)算模塊還用于基于第一分支預(yù)測值、第二分支預(yù)測值和第四分支預(yù)測值產(chǎn)生對應(yīng)于 數(shù)學(xué)計(jì)算的第三預(yù)測值。
10. —種用于預(yù)測執(zhí)行分支指令的方法，該方法包括 基于第一預(yù)測模式，產(chǎn)生第一臨時(shí)預(yù)測值； 基于第二分支預(yù)測模式，產(chǎn)生第二臨時(shí)分支預(yù)測值； 基于第一和第二臨時(shí)分支預(yù)測值，計(jì)算最終分支預(yù)測值；以及 如果最終分支預(yù)測滿足預(yù)定條件，執(zhí)行該分支指令。
11. 如權(quán)利要求io所述的方法，其中產(chǎn)生第一預(yù)測值還包括基于識別對應(yīng)于程序計(jì)數(shù)值的存儲位置，從預(yù)測哈希表中檢索預(yù)測值。
12. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中產(chǎn)生第二預(yù)測值還包括基于識別對應(yīng)于程序計(jì)數(shù) 值和分支歷史值的數(shù)學(xué)組合的存儲位置，從預(yù)測哈希表中檢索預(yù)測值。
13. 如權(quán)利要求10所述的方法，還包括如果最終預(yù)測值等于或大于2，執(zhí)行分支指令。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括 確定分支指令是否已經(jīng)被執(zhí)行；以及更新存儲在預(yù)測哈希表中的對應(yīng)于執(zhí)行的分支指令的預(yù)測值。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，還包括如果執(zhí)行相關(guān)的分支指令，增加存儲的預(yù)測值；以及 如果沒有執(zhí)行相關(guān)的分支指令，減小存儲的預(yù)測值。
16. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括 確定分支指令是否已經(jīng)被執(zhí)行；以及通過將位值移位到分支歷史寄存器中，更新存儲在分支歷史寄存器中的分支歷史值。
17. 如權(quán)利要求14所述的方法，還包括如果分支指令最終被執(zhí)行則移位位值l，且如果 分支指令最終沒有被執(zhí)行則移位位值0。
18. —種分支預(yù)測器，包括 程序計(jì)數(shù)寄存器，用于存儲程序計(jì)數(shù)值； 分支歷史寄存器，用于存儲分支歷史值；具有多個(gè)預(yù)測值的預(yù)測哈希表，每一個(gè)預(yù)測值唯一對應(yīng)于多個(gè)存儲位置；以及 預(yù)測組件，用于接收與第一存儲位置有關(guān)的第一預(yù)測值，其對應(yīng)于程序計(jì)數(shù)值；接收與第二存儲位置有關(guān)的第二預(yù)測值，其對應(yīng)于程序計(jì)數(shù)值和分支歷史值的邏輯組 合；以及基于第一和第二預(yù)測值產(chǎn)生整體預(yù)測值。
19. 如權(quán)利要求18所述的分支預(yù)測器，其中預(yù)測哈希表包括多個(gè)索引值，每一個(gè)索引 值唯一對應(yīng)于相應(yīng)的存儲位置和相關(guān)預(yù)測值，其中每個(gè)預(yù)測值包括0、 1、2或3的二進(jìn)制值。
20. 如權(quán)利要求18所述的分支預(yù)測器，其中最終值的產(chǎn)生是基于第一和第二預(yù)測值的 求和函數(shù)。
21. 如權(quán)利要求18所述的分支預(yù)測器，其中最終值的產(chǎn)生是基于第一和第二預(yù)測值的 平均函數(shù)。
22. —種流水線處理器，包括 處理器控制器；以及處理器，其具有與所述控制器耦合的分支預(yù)測器，該分支預(yù)測器還包括第一分支預(yù)測模塊，用于根據(jù)第一分支預(yù)測模式產(chǎn)生對應(yīng)于分支預(yù)測的第一預(yù)測值；第二分支預(yù)測模塊，用于根據(jù)第二分支預(yù)測模式產(chǎn)生對應(yīng)于分支預(yù)測的第二預(yù)測值；以及計(jì)算模塊，用于基于第一分支預(yù)測值和第二分支預(yù)測值產(chǎn)生對應(yīng)于數(shù)學(xué)計(jì)算的第三預(yù) 測值。
23. 如權(quán)利要求22所述的流水線處理器，還包括單一集成電路芯片。
24. —種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括 處理單元；通過系統(tǒng)總線與處理單元耦合的存儲器；以及流水線處理器，其被布置為處理單元的一部分，且用于與存儲器通信，該流水線處理器 還用于通過以下步驟預(yù)測指令分支的執(zhí)行基于第一預(yù)測模式，產(chǎn)生第一臨時(shí)預(yù)測值； 基于第二分支預(yù)測模式，產(chǎn)生第二臨時(shí)分支預(yù)測值； 基于第一和第二臨時(shí)分支預(yù)測值，計(jì)算最終分支預(yù)測值；以及如果最終分支預(yù)測值超過閾值，傳送執(zhí)行該指令分支的指令。
25. —種具有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令用于 基于第一預(yù)測模式，產(chǎn)生第一臨時(shí)預(yù)測值； 基于第二分支預(yù)測模式，產(chǎn)生第二臨時(shí)分支預(yù)測值； 基于第一和第二臨時(shí)分支預(yù)測值，計(jì)算最終分支預(yù)測值；以及 如果最終分支預(yù)測滿足預(yù)定條件，執(zhí)行分支指令。
全文摘要
一種用于多模式分支預(yù)測器的系統(tǒng)和方法。一種用于預(yù)測計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的分支的執(zhí)行的系統(tǒng)和方法。在實(shí)施例中，分支預(yù)測器可以包括程序計(jì)數(shù)寄存器，用于存儲程序計(jì)數(shù)值，以及分支歷史寄存器，用于存儲分支歷史值。此外，分支預(yù)測器可以包括具有多個(gè)預(yù)測值的預(yù)測哈希表，每個(gè)預(yù)測值唯一地對應(yīng)于多個(gè)存儲位置。利用這些組件，分支預(yù)測器可以產(chǎn)生對應(yīng)于程序計(jì)數(shù)值的第一預(yù)測值，并且可以產(chǎn)生對應(yīng)于程序計(jì)數(shù)值和分支歷史值的邏輯組合的第二預(yù)測值。利用從兩個(gè)不同的預(yù)測模式中獲得的這兩個(gè)預(yù)測值，分支預(yù)測器可以更好地適于基于第一和第二預(yù)測值產(chǎn)生整體預(yù)測值，其比基于單一預(yù)測模式的單一預(yù)測值更精確。
文檔編號G06F9/38GK101763248SQ20081019096
公開日2010年6月30日 申請日期2008年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日
發(fā)明者孫紅霞, 王凱峰 申請人:世意法(北京)半導(dǎo)體研發(fā)有限責(zé)任公司