[发明专利]一种嵌入式处理器的分支预测器

说明书

本发明涉及嵌入式处理器技术领域，具体涉及一种嵌入式处理器的分支预测器；包括：一级预测器：包括预测无条件跳转指令目标地址预测器和返回指令RET目标地址预测器；二级预测器：包括预测条件跳转指令目标地址预测器和预测条件跳转指令跳转方向预测器；判断分支预测结果正确性的模块：判断出分支预测出现错误的指令，并做出修正；生成流水线站台控制信号的模块：当分支预测错误时生成相应的站台控制信号，控制相应的站台暂停或将相应站台上处于错误路径的指令清除；该预测器较一级预测器可提供更高的预测准确率。二级预测的方向预测器提供相当预测准确率的同时，所占用的面积更小。

技术领域

本发明涉及嵌入式处理器技术领域，具体涉及一种嵌入式处理器的分支预测器。

背景技术

人们对提高计算机系统性能进行了大量的研究和努力。利用指令级并行性是提升计算机系统性能的重要手段，深度流水化是实现指令级并行的手段之一。利用分支预测器来预测分支指令的跳转方向和地址已经成为决定整体性能的一个越来越重要的组成部分。

在没有分支预测器的处理器中，处理器在译码阶段得知该指令为分支指令时，可采取等待的策略，直到分支解析完成，在后续流水阶段计算出分支指令的跳转方向和目标地址后下一条指令才能进入流水线中的取指阶段。在流水级数较多的微架构中，等待策略将严重削弱了指令并行性，降低了系统性能。没有分支预测器的处理器同样可以不间断对当前指令的后一条指令进行取指，当发现指令处于错误路径时，将流水线前面所有的站台进行冲刷，这种方法不仅导致每个分支指令丢失几个机器周期，而且带来功耗的增加。

分支预测器在流水线前端的站台便可预测出跳转指令的跳转方向和目标地址，通过预测来尽可能避免没有分支预测时所产生的延迟，进而提升了处理器的性能。在许多现代流水线微处理器架构中，分支预测器在实现高效能方面发挥着至关重要的作用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种嵌入式处理器的分支预测器，该预测器较一级预测器可提供更高的预测准确率。二级预测的方向预测器提供相当预测准确率的同时，所占用的面积更小。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种嵌入式处理器的分支预测器，包括：

一级预测器：包括预测无条件跳转指令目标地址预测器和返回指令RET目标地址预测器；

二级预测器：包括预测条件跳转指令目标地址预测器和预测条件跳转指令跳转方向预测器；

判断分支预测结果正确性的模块：判断出分支预测出现错误的指令，并做出修正；

生成流水线站台控制信号的模块：当分支预测错误时生成相应的站台控制信号，控制相应的站台暂停或将相应站台上处于错误路径的指令清除。

优选的，所述一级预测器仅对调用指令CALL、无条件跳转指令以及返回指令RET进行预测；一级预测器无需预测跳转方向，当预测器做出预测时即视为发生跳转，只需对跳转目标地址进行预测即可。

优选的，所述调用指令CALL和无条件跳转指令的目标地址预测器采用全相联的存储器结构，返回指令RET的目标地址预测器采用堆栈结构的存储器。

优选的，在指令经过译码后，如果当前指令为CALL指令，则将当前指令后一条指令的PC值压入RET指令目标地址预测器的堆栈中；在指令进入执行站台后，经ALU计算出实际的跳转目标地址后才会对调用指令CALL和无条件跳转指令的目标地址预测器进行更新。

优选的，当预测器无空闲条目时，采用先入先出的替换算法对预测器条目进行替换；当因遇到连续调用指令CALL而导致其溢出时，采用计数器对溢出数目进行计数，溢出的部分将不再预测。

优选的，所述预测条件跳转指令跳转方向预测器不同于传统gshare预测器，该方向预测器将gshare预测表分为4块，分别用gshare索引地址的一部分对预测表进行索引。