JP2000322257A - 条件分岐命令の投機的実行制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 投機的実行機能を備えるパイプラインプロセ
ッサにおいて、分岐予測失敗による消費電力効率の悪化
を防止するとともに、状態回復用ハードウェアを簡単化
した場合にも性能に対する影響を抑える。 【解決手段】 分岐予測が当たりにくい条件分岐命令を
判断し（ステップＳ１０２）、分岐予測が当たりにくい
条件分岐命令については後続命令の投機的実行を行わ
ず、分岐条件が確定するまで後続命令の実行を待機する
（ステップＳ１１６）。分岐条件検証結果を受け取った
後（ステップＳ１１７）、分岐条件が成立したかどうか
を判定し（ステップＳ１１８）、分岐条件が成立してい
れば条件分岐命令の次アドレスの命令から実行し（ステ
ップＳ１０９）、分岐条件が成立していなければ分岐飛
び先アドレスの命令から実行する（ステップＳ１１
５）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は条件分岐命令の投機
的実行制御方法に関し、特にパイプライン構造を採用し
ているマイクロプロセッサ（以下、パイプラインプロセ
ッサという）における条件分岐命令の投機的実行制御方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高性能のパイプラインプロセッサ
は、１サイクルに複数の命令を同時に実行するスーパス
カラ機能を備え、命令レベルの並列処理を行うことによ
って、性能向上を実現している。さらに、命令レベルの
並列処理のさらなる向上のために、プログラムコードの
非順序実行（out-of-order execution）を導入してい
る。非順序実行とは、プログラムコードの順序に拘ら
ず、計算に必要なデータの揃った命令から実行を行うも
のである。さらに、実行可能な命令を増やすために、レ
ジスタの逆依存性などを解消するレジスタリネーミング
（register renaming），条件分岐命令を挟んでの非順
序実行を実現する分岐予測および投機的実行（speculat
ive execution）などの高度な機能が導入されている。

【０００３】しかしながら、分岐予測および投機的実行
のような高度な命令実行機能を用いたときにも、分岐予
測が失敗した場合には、投機的実行が取り消されてしま
い（キャンセルされてしまい）、性能向上が制約されて
しまうという問題が生じる。分岐予測の手法は、条件分
岐命令に分岐条件成否確率情報を埋め込み、この分岐条
件成否確率情報に基づいて分岐予測を行う静的な分岐予
測手法と、分岐条件検証結果を履歴として記憶しておく
分岐予測テーブル（ＢＨＴ：Branch History Table）
を用意して、分岐予測テーブルの分岐条件検証結果の履
歴に基づいて分岐予測を行う動的な分岐予測手法との２
つに大別される。

【０００４】静的な分岐予測手法は、ＭＩＰＳ社のＲ４
０００プロセッサ等で採用されているbranch likely命
令がその例として挙げられる。しかしながら、静的な分
岐予測、特にコンパイラによって条件分岐命令の分岐予
測を行うことは難しいという問題がある。

【０００５】一方、動的な分岐予測手法は、近年の高性
能のパイプラインプロセッサのほとんど全てが採用して
いる。最も一般的な動的な分岐予測手法として、図１０
に示すような４状態を２ビットで表し、分岐条件の確定
に応じて次の予測状態が決まる２ビット予測方式が挙げ
られる。図１０では、強い成立予測状態２１，弱い成立
予測状態２２，弱い不成立予測状態２３，および強い不
成立予測状態２４の４状態で分岐予測を行い、分岐条件
が確定した時点で次の予測状態に遷移する。

【０００６】図１２は、分岐予測状態を保持する分岐予
測テーブルを用いて条件分岐命令の命令アドレスに依存
した分岐予測を行う分岐予測ユニットの一例を示す回路
ブロック図である。この分岐予測ユニットは、分岐予測
テーブル４１と、アドレス加算器４２ａおよび４２ｂ
と、予測成否判定・次予測状態決定論理４３と、分岐予
測管理テーブル４４と、アドレスセレクタ４５ａ, ４５
ｂ, ４５ｃとから構成されている。なお、図１２中、符
号１１は条件分岐命令の内容信号線、１６は分岐条件検
証結果信号線、１７は後続命令取消要求信号線、１８は
フェッチ要求アドレス信号線、２０は条件分岐命令の命
令アドレス信号線をそれぞれ示す。

【０００７】このような分岐予測ユニットでは、条件分
岐命令がフェッチされると、その条件分岐命令の命令ア
ドレス（プログラムカウンタ値）に対応する分岐予測テ
ーブル４１の１エントリが分岐予測状態として読み出さ
れ、その分岐予測状態に応じて分岐予測を行う。この分
岐予測に従って、条件分岐命令の内容信号線１１から計
算した分岐条件成立時のアドレスか分岐条件不成立時の
アドレスかがアドレスセレクタ４５ａで選択され、さら
に分岐予測アドレスとしてアドレスセレクタ４５ｃにお
いても選択が行われ、フェッチ要求アドレスとして信号
線１８を介して出力され、次の命令フェッチに用いられ
る。

【０００８】一方、分岐予測管理テーブル４４には、テ
ーブルインデックスアドレス，分岐予測状態および分岐
予測失敗時の回復アドレスが格納される。分岐予測失敗
時の回復アドレスとしては、アドレスセレクタ４５ｂに
よってアドレスセレクタ４５ａとは逆側のアドレスが選
択される。

【０００９】さて、条件分岐命令の実行が進み分岐条件
が確定されると、分岐条件検証結果が信号線１６を介し
て分岐予測ユニットに通知される。すると、予測成否判
定・次予測状態決定論理４３により、分岐予測の成否が
判定され、併せて次の分岐予測状態が決定され、分岐予
測テーブル４１に書き戻される。

【００１０】分岐予測が失敗した場合には、さらに分岐
予測管理テーブル４４に格納された分岐予測失敗時の回
復アドレスがアドレスセレクタ４５ｃで選択され、フェ
ッチ要求アドレスとして信号線１８を介して出力され、
正しい命令フェッチに用いられる。

【００１１】以上のような分岐予測手法が最も一般的な
動的な分岐予測手法であるが、履歴を記憶する分岐予測
テーブル４１の容量には限りがあるので、複数の条件分
岐命令が１エントリに競合して格納される可能性があ
る。この場合は、履歴が正しく管理できなくなり、分岐
予測成功率の低下を招く。これを防ぐために、Ｇ−ｓｈ
ａｒｅ等の高度な分岐予測手法の提案も行われている
（Scott McFarling, Combining Branch Predictors, We
stern Research Laboratory Technical Note TN-36）。
また、動的な分岐予測手法およびその効果については、
C, H. Perleberg andA, J Smith, Branch Target Buffe
r Design and Optimization, IEEE Trans. onComputers
Vol.42 No.4 pages396-412, April 1993などにまとめ
られている。

【００１２】ところで、分岐予測が失敗した場合には、
投機的に実行した命令の実行を取り消すための回復処理
が必要になる。特に、非順序実行（out-of-order）型の
スーパースカラ機能を備えるパイプラインプロセッサに
おける回復処理は、分岐命令の直後の実行状態を退避用
リソースに保持して、分岐予測失敗時には退避用リソー
スから一度に実行状態を元に戻すか、投機的実行の命令
による結果を退避用リソースに格納し、分岐予測が成功
した場合には退避用リソースから本来の実行用リソース
に転送し、分岐予測が失敗した場合には退避用リソース
の内容を破棄するといった処理が行われる。例えば、一
般的なスーパースカラ機能を備えるパイプラインプロセ
ッサでは、ＲＯＢ（ReOrder Buffer）等と呼ばれるリソ
ースがこれらの役割を担っている。

【００１３】なお、先行技術文献として、特開平０７−
２００２９３号公報，特開平１０−１３３８７３号公報
等がある。特開平０７−２００２９３号公報に開示され
た投機的実行制御機能を有するプロセッサは、先行命令
の実行サイクルが延びることが検出された場合に投機的
実行を抑止するようにしたものであり、本発明とは投機
的実行を抑止する契機を異にするものである。また、特
開平１０−１３３８７３号公報に開示された条件分岐命
令を投機的に実行するための方法は、複数の分岐予測方
式のうちの選択された１つを使用して条件分岐命令を投
機的に実行するためのものであり、投機的実行を抑止す
る本発明とは構成が異なっている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の分岐予
測手法では、分岐予測失敗時に生じる性能低下を最小限
に抑えるために、非常に高度な状態回復用ハードウェア
を用意する必要が生じるという問題点があった。その理
由は、条件分岐命令のうちには分岐予測が当たりにくい
ものが存在するにもかかわらず、必ず分岐条件が成立す
るかしないかの二者択一を行って後続命令の投機的なフ
ェッチおよび実行を行うため、分岐予測が当たりにくい
条件分岐命令に対しても投機的実行を行ってしまってい
たからである。

【００１５】また、分岐予測が当たりにくい条件分岐命
令に対して分岐予測をして失敗した場合にも、投機的実
行およびその状態回復のための電力が余計にかかってお
り、電力効率の悪化を引き起こしているという問題点が
あった。

【００１６】本発明の目的は、投機的実行機能を備える
パイプラインプロセッサにおいて、分岐予測失敗による
消費電力効率の悪化を未然に防止し、状態回復用ハード
ウェアを簡単化した場合にも性能に対する影響を抑える
ことができるようにした条件分岐命令の投機的実行制御
方法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の条件分岐命令の
投機的実行制御方法は、条件分岐命令をフェッチした際
に、分岐条件成立／分岐条件不成立を分岐予測し、分岐
予測状態に応じて分岐飛び先アドレスに位置する命令あ
るいは条件分岐命令の次アドレスに位置する命令から後
続命令を投機的にフェッチし、これらの命令を投機的に
実行し、当該条件分岐命令の分岐条件が確定した後に分
岐予測失敗であった場合には投機的に実行していた命令
の実行を取り消す投機的実行機能を備えるパイプライン
プロセッサにおいて、条件分岐命令に対して、分岐条件
成立を分岐予測する，分岐条件不成立を分岐予測する，
または分岐条件確定を待機するという処理のいずれかを
選択可能とし、分岐条件確定待機が選択されたときに
は、条件分岐命令の分岐条件が確定するまで当該条件分
岐命令の後続命令の投機的実行を抑止することを特徴と
する。

【００１８】また、本発明の条件分岐命令の投機的実行
制御方法は、条件分岐命令に前記分岐条件確定待機をす
る／しないを指定する投機的実行抑止情報を付加し、投
機的実行抑止情報が有効である条件分岐命令をフェッチ
したときには、条件分岐命令の分岐条件が確定するまで
当該条件分岐命令の後続命令の投機的実行を抑止するこ
とを特徴とする。

【００１９】さらに、本発明の条件分岐命令の投機的実
行制御方法は、条件分岐命令の分岐条件成立／分岐条件
不成立の履歴を履歴管理用ハードウェアに保持し、該履
歴管理用ハードウェアに保持された履歴を参照すること
によってフェッチした条件分岐命令の分岐条件成立／分
岐条件不成立を分岐予測し、分岐予測状態に応じて分岐
飛び先アドレスに位置する命令あるいは条件分岐命令の
次アドレスに位置する命令から後続命令を投機的にフェ
ッチし、これらの命令を投機的に実行し、当該条件分岐
命令の分岐条件が確定した後に分岐予測失敗であった場
合には投機的に実行していた命令の実行を取り消す投機
的実行機能を備えるパイプラインプロセッサにおいて、
条件分岐命令に対して、分岐条件成立を分岐予測する，
分岐条件不成立を分岐予測する，または分岐条件確定を
待機するという処理のいずれかを選択可能とするととも
に、分岐条件確定待機が選択されたときには、条件分岐
命令の分岐条件が確定するまで当該条件分岐命令の後続
命令の投機的実行を抑止するとともに、前記履歴管理用
ハードウェアから分岐予測状態として分岐条件確定待機
状態も併せて出力させ、分岐条件確定待機状態が出力さ
れたときにも、条件分岐命令の分岐条件が確定するまで
当該条件分岐命令の後続命令の投機的実行を抑止するこ
とを特徴とする。

【００２０】さらにまた、本発明の条件分岐命令の投機
的実行制御方法は、前記履歴管理用ハードウェアに保持
された履歴の分岐予測状態が、分岐条件確定待機状態の
場合には条件分岐命令の分岐条件が確定するまで当該条
件分岐命令の後続命令の投機的実行を抑止し、分岐条件
確定待機状態以外の場合には分岐条件成立／分岐条件不
成立を分岐予測することを特徴とする。

【００２１】また、本発明の条件分岐命令の投機的実行
制御方法は、前記投機的実行抑止情報に分岐条件確定待
機と指定された条件分岐命令をフェッチしたときでも、
前記履歴管理用ハードウェアに保持された履歴の分岐予
測状態が、分岐条件確定待機状態の場合には条件分岐命
令の分岐条件確定まで当該条件分岐命令の後続命令の投
機的実行を抑止し、分岐条件確定待機状態以外の場合に
は投機的実行を行うことを特徴とする。

【００２２】さらに、本発明の条件分岐命令の投機的実
行制御方法は、前記パイプラインプロセッサに複数の実
行モードを用意し、特定モードの場合には条件分岐命令
の分岐条件確定待機を選択可能とし、特定モード以外の
場合には条件分岐命令の分岐条件確定待機を選択不能と
したことを特徴とする。

【００２３】本発明の条件分岐命令の投機的実行制御方
法では、分岐予測が当たりにくい条件分岐命令を動的も
しくは静的に判定し、分岐予測が当たりにくいと判定さ
れた条件分岐命令は分岐条件が確定するまで、後続命令
の投機的なフェッチおよび実行を行わないという処理を
加える。これによって、投機的実行取消回数の低減を図
り、電力効率の向上を図るものである。併せて、投機的
実行取消回数が減ることから、状態回復を高速に行う必
要性が薄らぐことにより、状態回復用ハードウェアの簡
単化を図るものである。

【００２４】本発明の条件分岐命令の投機的実行制御方
法では、条件分岐命令をフェッチした際に、その処理を
以下の３種類から選択するようにする。 １. 分岐条件成立予測：分岐条件成立を仮定して分岐成
立時飛び先プログラムカウンタ相対アドレス（以下、分
岐飛び先アドレスという）からの命令の投機的なフェッ
チおよび実行を進める。 ２. 分岐条件不成立予測：分岐条件不成立を仮定して条
件分岐命令の次のアドレスからの命令の投機的なフェッ
チおよび実行を進める。 ３. 分岐条件確定待機：分岐条件が確定するまで後続命
令の実行を待機する。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明をよ
り具体的に詳述するが、以下の開示は本発明の一実施の
形態にすぎず、本発明の技術的範囲を何ら限定するもの
ではない。

【００２６】（１） 第１の実施の形態 図１は、本発明の第１の実施の形態に係る条件分岐命令
の投機的実行制御方法の処理手順を示すフローチャート
である。本実施の形態に係る条件分岐命令の投機的実行
制御方法は、条件分岐命令フェッチステップＳ１０１
と、分岐予測当たりにくい条件分岐命令判定ステップＳ
１０２と、分岐条件成立分岐予測判定ステップＳ１０３
と、投機的実行継続ステップＳ１０４と、分岐条件検証
結果受け取りステップＳ１０５と、分岐予測成功判定ス
テップＳ１０６と、分岐確定実行継続ステップＳ１０７
と、投機的実行取消ステップＳ１０８と、条件分岐命令
の次命令からの実行ステップＳ１０９と、条件分岐命令
の次命令からの投機的実行継続ステップＳ１１０と、分
岐条件検証結果受け取りステップＳ１１１と、分岐予測
成功判定ステップＳ１１２と、分岐確定実行継続ステッ
プＳ１１３と、投機的実行取消ステップＳ１１４と、分
岐飛び先命令からの実行ステップＳ１１５と、分岐条件
確定待機ステップＳ１１６と、分岐条件検証結果受け取
りステップＳ１１７と、分岐条件成立判定ステップＳ１
１８とからなる。

【００２７】本発明の第１の実施の形態に係る条件分岐
命令の投機的実行制御方法では、条件分岐命令をフェッ
チすると（ステップＳ１０１）、分岐予測が当たりにく
い条件分岐命令かどうかを判断し（ステップＳ１０
２）、分岐予測が当たりにくい条件分岐命令でない場合
には、分岐条件成立と分岐予測されたかどうかを判断し
（ステップＳ１０３）、分岐条件成立と分岐予測された
場合には、分岐飛び先アドレスの命令から投機的実行を
継続する（ステップＳ１０４）。この後、分岐条件検証
結果を受け取ると（ステップＳ１０５）、分岐予測が成
功したかどうかを判断し（ステップＳ１０６）、分岐予
測が成功した場合には、分岐条件を確定し実行を継続す
る（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０６で分岐予測
が成功しなかった場合には、投機的実行を取り消し（ス
テップＳ１０８）、条件分岐命令の次アドレスの命令か
ら実行を開始する（ステップＳ１０９）。ステップＳ１
０３で分岐条件成立と分岐予測されなかった場合には、
分岐命令の次アドレスの命令から投機的実行を継続する
（ステップＳ１１０）。この後、分岐条件検証結果を受
け取ると（ステップＳ１１１）、分岐予測が成功かどう
かを判断し（ステップＳ１１２）、分岐予測が成功した
場合には、分岐条件を確定し実行を継続する（ステップ
Ｓ１１３）。ステップＳ１１２で分岐予測が成功しなけ
れば、投機的実行を取り消し（ステップＳ１１４）、分
岐飛び先アドレスの命令から実行を再開する（ステップ
Ｓ１１５）。一方、ステップＳ１０２で分岐予測が当た
りにくい条件分岐命令であると判断された場合、分岐条
件確定まで待機させ（ステップＳ１１６）、分岐条件検
証結果を受け取ると（ステップＳ１１７）、分岐条件が
成立していれば（ステップＳ１１８ではい）、分岐飛び
先アドレスの命令から実行を再開する（ステップＳ１１
５）。分岐条件が成立していなければ（ステップＳ１１
８でいいえ）、条件分岐命令の次アドレスの命令から実
行を再開する（ステップＳ１０９）。

【００２８】ここで、第１の実施の形態に係る条件分岐
命令の投機的実行制御方法の処理手順を具体的に説明す
るために、図２に示すパイプラインステージを持った簡
単なパイプラインプロセッサを仮定する。図２で示した
パイプラインステージは、命令フェッチ（ＩＦ: Instru
ction Fetch），デコード発行（ＲＤ: Register & Deco
de），演算（ＡＬＵ: Arithmetic Logic Unit），メモ
リアクセス（ＭＥＭ: Memory Access），およびライト
バック（ＷＢ: Write Back）の５段から構成される。

【００２９】図３は、図２に示したパイプラインステー
ジを持つパイプラインプロセッサの一例を示す回路ブロ
ック図である。このパイプラインプロセッサは、命令キ
ャッシュ１と、分岐予測ユニット２と、命令デコード発
行ユニット３と、レジスタファイル４と、ＡＬＵ （Ari
thmetic Logic Unit）５と、データキャッシュ６と、分
岐検証ユニット７と、パイプラインレジスタ８とから、
その主要部が構成されている。なお、図３中、符号９は
命令コード信号線、１０はレジスタアドレス信号線、１
１は条件分岐命令の内容信号線、１２は制御コード信号
線、１３はレジスタ読み出し値信号線、１４はレジスタ
書き込み値信号線、１５は即値データ信号線、１６は分
岐条件検証結果信号線、１７は後続命令取消要求信号
線、１８はフェッチ要求アドレス信号線、１９は後続命
令フェッチ発行抑止信号線、２０は条件分岐命令の命令
アドレス（プログラムカウンタ値）信号線をそれぞれ示
す。

【００３０】本例のパイプラインプロセッサでは、図２
に示したパイプラインステージ間にパイプラインレジス
タ８が配置され、命令デコード発行ユニット３によって
命令がデコードされ、命令毎に動作を指定した制御コー
ドを通知する制御コード信号線１２，命令で参照するレ
ジスタファイル４のアドレスを指定したレジスタアドレ
ス信号線１０，命令で直に指定された演算用の数値を格
納する即値データ信号線１５に必要な信号が生成され
る。

【００３１】分岐予測ユニット２は、条件分岐命令の分
岐条件の成否を予測する。また、分岐予測ユニット２
は、分岐条件検証結果と先の分岐予測との比較を行う。
ここで、分岐予測が失敗した場合には、後続命令取消要
求を信号線１７を介して命令デコード発行ユニット３の
前段および後段に位置するパイプラインレジスタ８に出
力する。これにより、各パイプラインレジスタ８に格納
されていた値がリセットされて、後続命令の投機的実行
が取り消されることになる。

【００３２】図４は、分岐予測ユニット２の内部構造の
一例を示す回路ブロック図である。この分岐予測ユニッ
ト２は、分岐予測テーブル４１と、アドレス加算器４２
ａおよび４２ｂと、予測成否判定・次予測状態決定論理
４３と、分岐予測管理テーブル４４と、アドレスセレク
タ４５a, ４５b, ４５cと、予測状態比較論理４６とか
ら構成される。なお、図４中、符号１１は条件分岐命令
の内容信号線、１６は分岐条件検証結果信号線、１７は
後続命令取消要求信号線、１８はフェッチ要求アドレス
信号線、１９は後続命令フェッチ発行抑止信号線、２０
は条件分岐命令の命令アドレス（プログラムカウンタ
値）信号線をそれぞれ示す。

【００３３】分岐予測管理テーブル４４は、条件分岐命
令の命令アドレス（テーブルインデックス）と、分岐予
測テーブル４１から引いた分岐予測状態と、分岐予測状
態に応じてアドレスセレクタ４５ｂで選択される分岐予
測失敗時の回復アドレスとを格納する。この分岐予測失
敗時の回復アドレスとしては、アドレスセレクタ４５ａ
で選択されなかった方の値がアドレスセレクタ４５ｂで
選択される。

【００３４】予測状態比較論理４６は、分岐予測テーブ
ル４１から引かれた分岐予測状態に応じて後続命令の投
機的実行を行うか否かを判断する論理である。例えば、
分岐予測状態を図１０に示す４状態で表す場合には、表
１に示す論理によって後続命令フェッチ発行抑止信号線
１９を有効にする。なお、後続命令フェッチ発行抑止信
号線１９は、条件分岐命令の分岐成否を分岐予測してか
ら分岐条件が確定するまでの間しか有効にはならない。

【００３５】

【表１】

【００３６】命令キャッシュ１および命令デコード発行
ユニット３は、後続命令フェッチ発行抑止信号線１９が
有効な場合には、条件分岐命令の後続命令のフェッチお
よび発行を抑止し、後続命令の投機的実行を行わない。

【００３７】分岐検証ユニット７は、条件分岐命令の実
行が進んで分岐条件が確定すると、分岐条件検証結果を
信号線１６を介して分岐予測ユニット２に通知する。

【００３８】この分岐条件検証結果信号線１６の論理
を、表２に示す。

【００３９】

【表２】

【００４０】分岐予測ユニット２では、予測成否判定・
次予測状態決定論理４３が、分岐条件検証結果を入力し
て分岐予測の成否を判定する。併せて、予測成否判定・
次予測状態決定論理４３は、次の分岐予測状態を決定
し、分岐予測テーブル４１に書き戻す。

【００４１】分岐予測が失敗した場合には、予測成否判
定・次予測状態決定論理４３は、さらに、アドレスセレ
クタ４５ｃに分岐予測管理テーブル４４に格納されてい
る分岐予測失敗時の回復アドレスを選択させ、フェッチ
要求アドレスとして信号線１８を介して命令キャッシュ
１に送出させる。

【００４２】また、予測成否判定・次予測状態決定論理
４３は、条件分岐命令を予測して確定するまでの間、そ
の旨を分岐予測比較論理４６に通知している。

【００４３】次に、このような第１の実施の形態に係る
条件分岐命令の投機的実行制御方法の処理手順を、図１
ないし図４を参照しながら詳しく説明する。

【００４４】条件分岐命令がフェッチされると（ステッ
プＳ１０１）、命令キャッシュ１は、条件分岐命令の命
令アドレスを信号線２０を介して分岐予測ユニット２に
送出するとともに、条件分岐命令の内容を信号線１１を
介して分岐予測ユニット２に送出する。

【００４５】分岐予測ユニット２は、命令キャッシュ１
から信号線２０を介して条件分岐命令の命令アドレスを
入力するとともに信号線１１を介して条件分岐命令の内
容を入力すると、分岐予測テーブル４１から分岐予測状
態を出力する。次に、分岐予測ユニット２は、分岐予測
管理テーブル４４から分岐予測状態を引くとともに、分
岐予測状態が強い成立予測状態２１または弱い成立予測
状態２２であれば、アドレスセレクタ４５ａにより条件
分岐命令の分岐飛び先アドレスをアドレスセレクタ４５
ｃに送出し、アドレスセレクタ４５ｂにより条件分岐命
令の次アドレスを分岐予測失敗時の回復アドレスとして
分岐予測管理テーブル４４に格納する。

【００４６】次に、分岐予測ユニット２は、予測成否判
定・次予測状態決定論理４３により、分岐予測管理テー
ブル４４から引かれた分岐予測状態に基づいて条件分岐
命令が分岐予測が当たりにくい条件分岐命令かどうかを
判断する（ステップＳ１０２）。詳しくは、分岐予測状
態が弱い成立予測状態２２または弱い不成立予測状態２
３であれば、分岐予測が当たりにくい条件分岐命令であ
ると判断し、それ以外であれば、分岐予測が当たりにく
い条件分岐命令でないと判断する。

【００４７】ステップＳ１０２で分岐予測が当たりにく
い条件分岐命令ではないと判断された場合には、分岐予
測ユニット２は、予測成否判定・次予測状態決定論理４
３により、分岐予測管理テーブル４４から引かれた分岐
予測状態に基づいて分岐条件成立と分岐予測されたかど
うかを判断する（ステップＳ１０３）。

【００４８】ステップＳ１０３で分岐条件成立と分岐予
測された場合には、分岐予測ユニット２は、予測成否判
定・次予測状態決定論理４３により、アドレスセレクタ
４５ｃから条件分岐命令の分岐飛び先アドレスを信号線
１８を介してフェッチ要求アドレスとして命令キャッシ
ュ１に送出して、分岐飛び先アドレスの命令からの投機
的実行を継続させる（ステップＳ１０４）。

【００４９】分岐検証ユニット７は、条件分岐命令の実
行が進んで分岐条件が確定すると、条件分岐命令で指定
された分岐条件を制御コードとして命令デコード発行ユ
ニット３から信号線１２を介して受け取るとともに、条
件判定に必要なレジスタの値をレジスタファイル４から
信号線１３を介して受け取り、分岐条件を検証して、分
岐条件検証結果を信号線１６を介して分岐予測ユニット
２に通知する。

【００５０】分岐予測ユニット２は、分岐検証ユニット
７からの分岐条件検証結果を受け取ると（ステップＳ１
０５）、予測成否判定・次予測状態決定論理４３によ
り、分岐条件検証結果と分岐予測管理テーブル４４の分
岐予測状態とを比較して分岐予測が成功したかどうかを
判断する（ステップＳ１０６）。

【００５１】ステップＳ１０６で分岐予測が成功したと
判断された場合には、分岐予測ユニット２は、予測成否
判定・次予測状態決定論理４３により、アドレスセレク
タ４５ｃから分岐飛び先アドレス以降の命令アドレスを
信号線１８を介してフェッチ要求アドレスとして命令キ
ャッシュ１に送出して実行を継続させる（ステップＳ１
０７）。

【００５２】ステップＳ１０６で分岐予測が成功しなか
ったと判断された場合には、分岐予測ユニット２は、予
測成否判定・次予測状態決定論理４３により、後続命令
取消要求を信号線１７を介して命令デコード発行ユニッ
ト３の前段および後段に位置するパイプラインレジスタ
８に送出して投機的実行を取り消す（ステップＳ１０
８）。

【００５３】次に、分岐予測ユニット２は、予測成否判
定・次予測状態決定論理４３により、分岐予測管理テー
ブル４４に分岐予測失敗時の回復アドレスとして格納さ
れている条件分岐命令の次命令のアドレスをアドレスセ
レクタ４５ｃから信号線１８を介してフェッチ要求アド
レスとして命令キャッシュ１に送出し、条件分岐命令の
次アドレスの命令からの実行を再開させる（ステップＳ
１０９）。

【００５４】一方、ステップＳ１０３で分岐条件不成立
と分岐予測された場合には、分岐予測ユニット２は、予
測成否判定・次予測状態決定論理４３により、アドレス
セレクタ４５ｃから条件分岐命令の次アドレスをフェッ
チ要求アドレスとして信号線１８を介して命令キャッシ
ュ１に送出し、条件分岐命令の次アドレスの命令から投
機的実行を継続させる（ステップＳ１１０）。

【００５５】分岐検証ユニット７は、条件分岐命令の実
行が進んで分岐条件が確定すると、条件分岐命令で指定
された分岐条件を制御コードとして命令デコード発行ユ
ニット３から信号線１２を介して受け取るとともに、条
件判定に必要なレジスタの値をレジスタファイル４から
信号線１３を介して受け取り、分岐条件を検証して、分
岐条件検証結果を信号線１６を介して分岐予測ユニット
２に通知する。

【００５６】分岐予測ユニット２は、分岐検証ユニット
７からの分岐条件検証結果を受け取ると（ステップＳ１
１１）、予測成否判定・次予測状態決定論理４３によ
り、分岐条件検証結果と分岐予測管理テーブル４４の分
岐予測状態とを比較して分岐予測が成功かどうかを判断
する（ステップＳ１１２）。

【００５７】ステップＳ１１２で分岐予測が成功したと
判断された場合には、分岐予測ユニット２は、予測成否
判定・次予測状態決定論理４３により、アドレスセレク
タ４５ｃから分岐飛び先アドレス以降の命令アドレスを
フェッチ要求アドレスとして信号線１８を介して命令キ
ャッシュ１に送出して実行を継続させる（ステップＳ１
１３）。

【００５８】ステップＳ１１２で分岐予測が成功しなか
ったと判断された場合には、分岐予測ユニット２は、予
測成否判定・次予測状態決定論理４３により、後続命令
取消要求を信号線１７を介して命令デコード発行ユニッ
ト３の前段および後段に位置するパイプラインレジスタ
８に送出して投機的実行を取り消す（ステップＳ１１
４）。

【００５９】次に、分岐予測ユニット２は、予測成否判
定・次予測状態決定論理４３により、分岐予測管理テー
ブル４４に分岐予測失敗時の回復アドレスとして格納さ
れている条件分岐命令の分岐飛び先命令のアドレスをア
ドレスセレクタ４５ｃから信号線１８を介してフェッチ
要求アドレスとして命令キャッシュ１に送出し、条件分
岐命令の分岐飛び先アドレスの命令から実行を再開させ
る（ステップＳ１１５）。

【００６０】他方、ステップＳ１０２で分岐予測が当た
りにくい条件分岐命令であると判断された場合には、分
岐予測ユニット２は、予測状態比較論理４６により、後
続命令フェッチ発行抑止信号を信号線１９を介して命令
キャッシュ１および命令デコード発行ユニット３に送出
し、分岐条件確定まで待機させる（ステップＳ１１
６）。

【００６１】命令キャッシュ１および命令デコード発行
ユニット３は、後続命令フェッチ発行抑止信号線１９が
有効な場合には、条件分岐命令の後続命令のフェッチお
よび発行を抑止し、後続命令の投機的実行を行わない。

【００６２】分岐検証ユニット７は、条件分岐命令の実
行が進んで分岐条件が確定すると、条件分岐命令で指定
された分岐条件を制御コードとして命令デコード発行ユ
ニット３から信号線１２を介して受け取るとともに、条
件判定に必要なレジスタの値をレジスタファイル４から
信号線１３を介して受け取り、分岐条件を検証して、分
岐条件検証結果を信号線１６を介して分岐予測ユニット
２に通知する。

【００６３】分岐予測ユニット２は、分岐検証ユニット
７からの分岐条件検証結果を受け取ると（ステップＳ１
１７）、予測成否判定・次予測状態決定論理４３によ
り、分岐条件が成立したかどうかを判定する（ステップ
Ｓ１１８）。分岐条件が成立していれば、分岐予測ユニ
ット２は、予測状態比較論理４６により、後続命令フェ
ッチ発行抑止信号を無効にして信号線１９を介して命令
キャッシュ１および命令デコード発行ユニット３に出力
するとともに、予測成否判定・次予測状態決定論理４３
により、アドレスセレクタ４５ｃから条件分岐命令の分
岐飛び先アドレスをフェッチ要求アドレスとして信号線
１８を介して命令キャッシュ１に送出し、分岐飛び先ア
ドレスの命令から実行を開始させる（ステップＳ１１
５）。

【００６４】ステップＳ１１８で分岐条件が成立してい
なければ、分岐予測ユニット２は、予測状態比較論理４
６により、後続命令フェッチ発行抑止信号を無効にして
信号線１９を介して命令キャッシュ１および命令デコー
ド発行ユニット３に出力するとともに、予測成否判定・
次予測状態決定論理４３により、分岐予測管理テーブル
４４に分岐予測失敗時の回復アドレスとして格納されて
いる条件分岐命令の次アドレスをアドレスセレクタ４５
ｃから信号線１８を介してフェッチ要求アドレスとして
命令キャッシュ１に送出し、条件分岐命令の次アドレス
の命令からの実行を開始させる（ステップＳ１０９）。

【００６５】次に、第１の実施の形態に係る条件分岐命
令の投機的実行制御方法について、より具体的に説明す
る。ここでは、図３に例示したパイプラインプロセッサ
が、図５に例示したサンプルコードを実行する場合の動
作について順を追って説明する。

【００６６】図５は、図３に例示したパイプラインプロ
セッサで実行されるサンプルコードの一例を示す図であ
る。

【００６７】図６は、図５に例示したサンプルコードを
実行した際に条件分岐命令の分岐予測を分岐条件不成立
と分岐予測して失敗した場合のパイプライン動作図であ
る。

【００６８】図７は、図５に例示したサンプルコードを
実行した際に条件分岐命令を分岐予測が当たりにくい条
件分岐命令であると判断した場合のパイプライン動作図
である。

【００６９】図８は、図５に例示したサンプルコードを
実行した際に条件分岐命令の分岐条件不成立と分岐予測
して成功した場合のパイプライン動作図である。

【００７０】サイクルＴ１のタイミングでｅｃ番地に格
納されている（１）の条件分岐命令ＢＥＱがフェッチさ
れると、命令キャッシュ１は、条件分岐命令ＢＥＱの命
令アドレス（すなわち、ｅｃ番地）および内容を信号線
２０および信号線１１を介して分岐予測ユニット２に送
出する。

【００７１】分岐予測ユニット２は、命令キャッシュ１
から入力された条件分岐命令ＢＥＱの命令アドレスおよ
び内容に基づいて分岐予測が当たりにくい条件分岐命令
かどうかを判断する。ここでは、分岐予測が当たりにく
い条件分岐命令であると判断されたものとする。

【００７２】次に、分岐予測ユニット２は、条件分岐命
令の命令アドレスに基づいて、条件分岐命令の次アドレ
スをフェッチ要求アドレスとして信号線１８を介して命
令キャッシュ１に出力するとともに、後続命令フェッチ
発行抑止信号を信号線１９を介して命令キャッシュ１お
よび命令デコード発行ユニット３に出力する。

【００７３】図６は、分岐条件不成立を分岐予測して条
件分岐命令の次アドレスをフェッチ要求アドレスとして
出力し、後続命令フェッチ発行抑止信号を出力しないと
したときに、後に分岐予測が失敗した場合の実行タイミ
ングを示している。（１）の条件分岐命令ＢＥＱがサイ
クルＴ３に達した時に、分岐検証ユニット７は、分岐条
件が成立していると判定し、その分岐条件検証結果を信
号線１６を介して分岐予測ユニット２に通知する。

【００７４】分岐予測ユニット２は、分岐条件検証結果
を受け取ると、分岐予測の成否を判定する。

【００７５】図６は、分岐予測失敗の例であるので、後
続命令で投機的実行が開始された（２）の加算命令ＡＤ
Ｄ,（３）のロード命令ＬＯＡＤ，および（４）の加算
命令ＡＤＤの３命令がサイクルＴ４で取り消され、新た
にサイクルＴ５で（６）のメモリ格納命令ＳＴＯＲＥの
フェッチが開始される。したがって、投機的実行を開始
していた（２）の加算命令ＡＤＤ,（３）のロード命令
ＬＯＡＤ，および（４）の加算命令ＡＤＤによって無駄
な電力が消費されたことになる。

【００７６】次に、図７は、分岐予測ユニット２が後続
命令フェッチ発行抑止信号を出力した場合の実行タイミ
ングを示している。この場合は、（１）の条件分岐命令
ＢＥＱの分岐条件がサイクルＴ３で確定するまでの間、
後続命令のフェッチを行わないので、図６に示したよう
な、投機的実行の取り消しは生じない。したがって、無
駄な電力は消費されない。

【００７７】最後に、図８では、分岐条件不成立を分岐
予測して条件分岐命令の次アドレスをフェッチ要求アド
レスとして出力し、後続命令フェッチ発行抑止信号を出
力しないとしたときに、後に分岐予測が成功した場合の
実行タイミングを示している。この場合は、投機的実行
を行っていた命令によって、条件分岐命令の存在による
実行効率の低下を防ぐことができる。

【００７８】以上のように、第１の実施の形態によれ
ば、フェッチ要求アドレスの他に後続命令フェッチ発行
抑止信号を追加して出力することにより、分岐予測が当
たりにくい条件分岐命令に関しては投機的実行を行わな
いようにすることができ、分岐予測失敗の発生回数を抑
え、消費電力効率を向上させることが可能になる。第１
の実施の形態では、分岐予測に失敗した場合と分岐条件
確定待機の場合との実行速度は変わらないが、投機的実
行をより積極的に行う非順序実行型のスーパースカラ機
能を備えるパイプラインプロセッサでは、投機的実行の
取消および状態回復動作を省けることによって、分岐予
測失敗時より高速に処理できる可能性もある。また、分
岐予測失敗の発生回数が減ることによって、状態回復動
作を高速化する必要性が減少し、状態回復用ハードウェ
アの簡単化が可能となる。

【００７９】ところで、分岐条件確定待機を含めた分岐
予測を行う手法は、本発明の第２の実施の形態から第７
の実施の形態に係る条件分岐命令の投機的実行制御方法
による分岐予測論理に基づいて行われる。以下、これら
の実施の形態について説明する。

【００８０】（２） 第２の実施の形態 第２の実施の形態に係る条件分岐命令の投機的実行制御
方法は、条件分岐命令に分岐予測に基づく投機的実行を
行うか行わないかの情報を付加するものである。

【００８１】図９は、第２の実施の形態に係る条件分岐
命令の投機的実行制御方法の最も簡単な一例である。図
９を参照すると、条件分岐命令の命令フィールドに１ビ
ットの投機的実行抑止ビットを付加している。すなわ
ち、条件分岐命令の命令フォーマットは、オペコード
と、分岐条件と、投機的実行抑止ビットと、分岐飛び先
アドレスとの各フィールドから構成され、投機的実行抑
止ビットは、コード生成時に当該条件分岐命令が分岐予
測が当たりにくいと判断された場合に有効とされる。

【００８２】投機的実行抑止ビットが有効とされている
場合に限って、後続命令の投機的実行を行わず、先述の
図７に示したようなパイプライン動作を行う。すなわ
ち、当該条件分岐命令の命令フェッチ時には、命令キャ
ッシュ１および命令デコード発行ユニット３は、分岐予
測ユニット２からのフェッチ要求アドレスを受け取る
が、その後の命令フェッチ／発行動作は、条件分岐命令
の分岐条件が確定するまで行わない。

【００８３】投機的実行抑止ビットの有効／無効は、命
令デコード発行ユニット３において、通常の命令デコー
ドと同等の操作を行うことによって調べられる。命令デ
コード発行ユニット３は、命令の発行を自ら司ってお
り、投機的実行抑止ビットが有効とされていた条件分岐
命令を発行後は、当該条件分岐命令が分岐検証ユニット
７に到達して、分岐条件が検証されるまで、後続命令の
発行を抑止することが可能である。

【００８４】第２の実施の形態に係る条件分岐命令の投
機的実行制御方法によって、最も簡単に分岐条件確定待
機の指定を行うことが可能となり、条件分岐命令の分岐
予測成功率を向上させることができる。さらに、プログ
ラムの実行トレースを用いて、各条件分岐命令について
分岐予測に基づく投機的実行を行う／行わないを指定す
ることによって、コードの最適化が可能になる。

【００８５】ところで、第２の実施の形態に係る条件分
岐命令の投機的実行制御方法における静的な分岐予測手
法では、命令セットの拡張が必要であること，コード生
成時に静的に予測するために分岐予測成功率の向上に限
界があること，時間経過によって分岐条件の成立／不成
立の傾向が変化する場合には対応できないことなどの問
題が残る。これらの問題に対応するためには、ハードウ
ェアによる分岐予測機構によって動的に条件分岐命令が
分岐予測が当たりにくいかどうかという判定を行う必要
がある。

【００８６】（３） 第３の実施の形態 本発明の第３実施の形態に係る条件分岐命令の投機的実
行制御方法では、分岐条件の成否から決定される分岐予
測状態に応じて分岐条件確定待機状態を生成するもので
ある。

【００８７】例えば、図１０に示す４状態で分岐予測を
管理している場合には、分岐予測ユニット２内では、分
岐条件成立／分岐条件不成立を分岐予測し、分岐条件検
証結果に応じて新たな分岐予測状態に遷移させるという
動作を行いながら、分岐予測ユニット２内の予測状態比
較論理４６によって、弱い成立予測状態２２および弱い
不成立予測状態２３の時には、命令キャッシュ１および
命令デコード発行ユニット３に対して後続命令フェッチ
発行抑止信号を有効にする。

【００８８】後続命令フェッチ発行抑止信号の有効時に
は、先述の図７に示したようなパイプライン動作が行わ
れる。すなわち、弱い成立予測状態２２および弱い不成
立予測状態２３ということは、分岐予測が当たりにくい
状態であることを示しており、その場合には、後続命令
の投機的実行を行わないことによって、条件分岐命令の
分岐予測成功率を向上させることができる。

【００８９】ところで、第３実施の形態に係る条件分岐
命令の投機的実行制御方法では、分岐予測状態として４
状態を用いたが、さらに分岐予測状態を増やすことによ
って、より的確に分岐予測が当たりにくい状態を判断す
ることが可能になる。

【００９０】（４） 第４の実施の形態 本発明の第４実施の形態に係る条件分岐命令の投機的実
行制御方法では、図１１に示すように、図１０に示した
分岐予測状態に対して２状態を追加し、全体として６状
態としている。追加した２状態は、弱い成立予測状態２
２および弱い不成立予測状態２３の中間に用意され、ご
く弱い成立予測状態２５およびごく弱い不成立予測状態
２６である。

【００９１】分岐予測ユニット２は、ごく弱い成立予測
状態２５およびごく弱い不成立予測状態２６の時、なら
びに弱い成立予測状態２２および弱い不成立予測状態２
３の時には、命令キャッシュ１および命令デコード発行
ユニット３に対して後続命令フェッチ発行抑止信号を有
効にする。

【００９２】分岐予測状態の状態数をさらに増やしたり
状態遷移を工夫することによって、分岐予測が当たりに
くい条件分岐命令をより高い確度で判定することも、第
４の実施の形態に係る条件分岐命令の投機的実行制御方
法に含まれる。

【００９３】（５） 第５の実施の形態 本発明の第５実施の形態に係る条件分岐命令の投機的実
行制御方法は、分岐予測が当たりにくい条件分岐命令を
より高い確度で見極めるために、分岐条件成立および分
岐条件不成立の分岐予測の予測正確度の履歴を、分岐予
測テーブルとは独立したテーブルによって保持しておく
方法である。第５実施の形態に係る条件分岐命令の投機
的実行制御方法では、分岐予測ユニット２は、従来のパ
イプラインプロセッサと全く同様に動作し、それとは独
立の予測正確度履歴管理ユニット（図示せず）を追加
し、条件分岐命令のアドレス毎に分岐予測成功率をハー
ドウェア的に保持しておく。この予測正確度履歴管理ユ
ニットからの出力によって投機的実行か分岐条件確定待
機かを決定し、投機的実行の場合には分岐予測ユニット
２からの出力に従って分岐条件成立および分岐条件不成
立の投機的実行を行うことも、第５の実施の形態に係る
条件分岐命令の投機的実行制御方法に含まれる。

【００９４】（６） 第６の実施の形態 本発明の第６の実施の形態に係る条件分岐命令の投機的
実行制御方法は、分岐予測を行わず分岐条件の確定を待
機させるための方法として、条件分岐命令自身に投機的
実行抑止ビット１０を静的に加えておく第２の実施の形
態に係る条件分岐命令の投機的実行制御方法と、動的に
している第３の実施の形態に係る条件分岐命令の投機的
実行制御方法との両者を合わせた方法である。第６の実
施の形態に係る条件分岐命令の投機的実行制御方法で
は、第２の実施の形態に係る条件分岐命令の投機的実行
制御方法と同様に、コード生成時に条件分岐命令の予測
が当たりにくいと判断した場合に、投機的実行を行わな
いと命令上で指定する。しかしながら、この条件分岐命
令に対する履歴が、強い成立予測状態２１または強い不
成立予測状態２４のときには、条件分岐命令の後続命令
の投機的実行を行う。一方、弱い成立予測状態２２また
は弱い不成立予測状態２３の時には、分岐条件の確定を
待機する。他方、投機的実行を行うと指定した命令につ
いては、弱い成立予測状態２２および弱い不成立予測状
態２３のときにも投機的実行を行う。これらの動作を、
表３に示す。

【００９５】

【表３】

【００９６】これによって、静的に分岐予測が当たりに
くい条件分岐命令で、かつ動的にも分岐予測が当たりに
くいと判断された条件分岐命令についてのみ投機的実行
を抑止することが可能になり、分岐予測が当たりにくい
条件分岐命令以外の条件分岐命令については投機的実行
を抑止する可能性が減少し、分岐予測成功率を保ちなが
ら、分岐予測失敗の発生回数を減らすことが可能にな
る。

【００９７】（７） 第７の実施の形態 本発明の第７の実施の形態に係る条件分岐命令の投機的
実行制御方法は、プロセッサの実行モードに高速モー
ド，低消費電力モードなどの複数のモードを設け、高速
モードでは、条件分岐命令の後続命令の投機的実行を積
極的に行い、できる限りの処理速度向上を図るが、低消
費電力モードでは、分岐予測が当たりにくい条件分岐命
令の後続命令の投機的実行を行わずに分岐条件の確定を
待機するようにした方法である。これらの動作を、表４
に示す。

【００９８】

【表４】

【００９９】これらの実行モードを切り替えることによ
って、処理速度を保つ必要のある場合と電力効率を重視
する場合とで、それぞれ的確な条件分岐命令の投機的実
行制御を選択することが可能になる。

【０１００】なお、上記各実施の形態では、説明の簡単
化のために、命令順序発行（in-order発行）のパイプラ
インプロセッサを仮定したが、命令非順序発行（out-of
-order発行）のスーパースカラ機能を備えるパイプライ
ンプロセッサでは、分岐予測失敗によって取り消される
命令数も多くなり、また状態回復に数サイクルかかる場
合も有り、投機的実行を行わない場合にはこの回復待ち
時間が不要となるので、本発明による効果をより一層得
ることが可能になる。

【０１０１】また、上記各実施の形態では、分岐予測失
敗の場合と分岐条件確定待機の場合との実行速度は変わ
らないが、投機的実行をより積極的に行う非順序実行型
のスーパースカラ機能を備えるパイプラインプロセッサ
では、分岐予測失敗による投機的実行の取り消しおよび
状態回復動作を省けることによって、分岐予測失敗の場
合より分岐条件確定待機の場合の方が高速に処理できる
可能性もある。また、分岐予測失敗による投機的実行取
消回数が減ることによって、状態回復動作を高速化する
必要性が減少し、状態回復用ハードウェアの簡単化が可
能となる。

【０１０２】さらに、上記各実施の形態は、既存の分岐
予測機構と組み合わせて利用できるため、近年提案され
ている高度な分岐予測機構に追加することによって、分
岐予測が当たりにくい条件分岐命令のみの投機的実行を
より容易に抑止することが可能になる。

【０１０３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、分
岐予測が当たりにくい条件分岐命令について投機的実行
を行わないことによって、投機的実行が取り消される回
数を削減し、電力効率を改善することが可能になる。そ
の理由は、分岐予測が当たりにくい条件分岐命令の場合
には、分岐条件確定まで待機させるようにしたからであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る条件分岐命令
の投機的実行制御方法の処理手順を示すフローチャート
である。

【図２】第１の実施の形態に係る条件分岐命令の投機的
実行制御方法が適用されるパイプラインプロセッサのパ
イプラインステージの一例を示す図である。

【図３】図２に示したパイプラインステージを持つパイ
プラインプロセッサの一例を示す回路ブロック図であ
る。

【図４】図１中の分岐予測ユニットの内部構造の一例を
示す回路ブロック図である。

【図５】図３のパイプラインプロセッサが実行するサン
プルコードの一例を示す図である。

【図６】条件分岐命令の分岐予測を分岐条件不成立とし
て失敗した場合のパイプライン動作図である。

【図７】条件分岐命令を分岐予測が当たりにくいと判断
した場合のパイプライン動作図である。

【図８】条件分岐命令の分岐予測を分岐条件不成立とし
て成功した場合のパイプライン動作図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態に係る条件分岐命令
の投機的実行制御方法で用いられる条件分岐命令の命令
フォーマットを示す図である。

【図１０】一般的な２ビット分岐予測状態を示す状態遷
移図である。

【図１１】６状態に拡張した分岐予測状態を示す状態遷
移図である。

【図１２】従来の分岐予測ユニットの詳細回路ブロック
図である。

【符号の説明】

１ 命令キャッシュ ２ 分岐予測ユニット ３ 命令デコード発行ユニット ４ レジスタファイル ５ ＡＬＵ ６ データキャッシュ ７ 分岐検証ユニット ８ パイプラインレジスタ ９ 命令コード読み出し信号線 １０ レジスタアドレス信号線 １１ 条件分岐命令の内容信号線 １２ 制御コード信号線 １３ レジスタ読み出し値信号線 １４ レジスタ書き込み値信号線 １５ 即値データ信号線 １６ 分岐条件検証結果信号線 １７ 後続命令取消要求信号線 １８ フェッチ要求アドレス信号線 １９ 後続命令フェッチ発行抑止信号線 ２０ 条件分岐命令の命令アドレス信号線 ２１ 強い成立予測状態 ２２ 弱い成立予測状態 ２３ 弱い不成立予測状態 ２４ 強い不成立予測状態 ２５ ごく弱い成立予測状態 ２６ ごく弱い不成立予測状態 ４１ 分岐予測テーブル ４２a，４２ｂ アドレス加算器 ４３ 予測成否判定・次予測状態決定論理 ４４ 分岐予測管理テーブル ４５ａ，４５ｂ，４５ｃ アドレスセレクタ ４６ 予測状態比較論理 Ｓ１０１ 条件分岐命令フェッチステップ Ｓ１０２ 分岐予測当たりにくい条件分岐命令判定ステ
ップ Ｓ１０３ 分岐条件成立分岐予測判定ステップ Ｓ１０４ 投機的実行継続ステップ Ｓ１０５ 分岐条件検証結果受け取りステップ Ｓ１０６ 分岐予測成功判定ステップ Ｓ１０７ 分岐確定実行継続ステップ Ｓ１０８ 投機的実行取消ステップ Ｓ１０９ 条件分岐命令の次命令からの実行ステップ Ｓ１１０ 条件分岐命令の次命令からの投機的実行継続
ステップ Ｓ１１１ 分岐条件検証結果受け取りステップ Ｓ１１２ 分岐予測成功判定ステップ Ｓ１１３ 分岐確定実行継続ステップ Ｓ１１４ 投機的実行取消ステップ Ｓ１１５ 分岐飛び先命令からの実行ステップ Ｓ１１６ 分岐条件確定待機ステップ Ｓ１１７ 分岐条件検証結果受け取りステップ Ｓ１１８ 分岐条件成立判定ステップ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 条件分岐命令をフェッチした際に、分岐
   条件成立／分岐条件不成立を分岐予測し、分岐予測状態
   に応じて分岐飛び先アドレスに位置する命令あるいは条
   件分岐命令の次アドレスに位置する命令から後続命令を
   投機的にフェッチし、これらの命令を投機的に実行し、
   当該条件分岐命令の分岐条件が確定した後に分岐予測失
   敗であった場合には投機的に実行していた命令の実行を
   取り消す投機的実行機能を備えるパイプラインプロセッ
   サにおいて、条件分岐命令に対して、分岐条件成立を分
   岐予測する，分岐条件不成立を分岐予測する，または分
   岐条件確定を待機するという処理のいずれかを選択可能
   とし、分岐条件確定待機が選択されたときには、条件分
   岐命令の分岐条件が確定するまで当該条件分岐命令の後
   続命令の投機的実行を抑止することを特徴とする条件分
   岐命令の投機的実行制御方法。
2. 【請求項２】 条件分岐命令に前記分岐条件確定待機を
   する／しないを指定する投機的実行抑止情報を付加し、
   投機的実行抑止情報が有効である条件分岐命令をフェッ
   チしたときには、条件分岐命令の分岐条件が確定するま
   で当該条件分岐命令の後続命令の投機的実行を抑止する
   ことを特徴とする請求項１記載の条件分岐命令の投機的
   実行制御方法。
3. 【請求項３】 条件分岐命令の分岐条件成立／分岐条件
   不成立の履歴を履歴管理用ハードウェアに保持し、該履
   歴管理用ハードウェアに保持された履歴を参照すること
   によってフェッチした条件分岐命令の分岐条件成立／分
   岐条件不成立を分岐予測し、分岐予測状態に応じて分岐
   飛び先アドレスに位置する命令あるいは条件分岐命令の
   次アドレスに位置する命令から後続命令を投機的にフェ
   ッチし、これらの命令を投機的に実行し、当該条件分岐
   命令の分岐条件が確定した後に分岐予測失敗であった場
   合には投機的に実行していた命令の実行を取り消す投機
   的実行機能を備えるパイプラインプロセッサにおいて、
   条件分岐命令に対して、分岐条件成立を分岐予測する，
   分岐条件不成立を分岐予測する，または分岐条件確定を
   待機するという処理のいずれかを選択可能とするととも
   に、分岐条件確定待機が選択されたときには、条件分岐
   命令の分岐条件が確定するまで当該条件分岐命令の後続
   命令の投機的実行を抑止するとともに、前記履歴管理用
   ハードウェアから分岐予測状態として分岐条件確定待機
   状態も併せて出力させ、分岐条件確定待機状態が出力さ
   れたときにも、条件分岐命令の分岐条件が確定するまで
   当該条件分岐命令の後続命令の投機的実行を抑止するこ
   とを特徴とする条件分岐命令の投機的実行制御方法。
4. 【請求項４】 前記履歴管理用ハードウェアに保持され
   た履歴の分岐予測状態が、分岐条件確定待機状態の場合
   には条件分岐命令の分岐条件が確定するまで当該条件分
   岐命令の後続命令の投機的実行を抑止し、分岐条件確定
   待機状態以外の場合には分岐条件成立／分岐条件不成立
   を分岐予測することを特徴とする請求項３記載の条件分
   岐命令の投機的実行制御方法。
5. 【請求項５】 前記投機的実行抑止情報に分岐条件確定
   待機と指定された条件分岐命令をフェッチしたときで
   も、前記履歴管理用ハードウェアに保持された履歴の分
   岐予測状態が、分岐条件確定待機状態の場合には条件分
   岐命令の分岐条件確定まで当該条件分岐命令の後続命令
   の投機的実行を抑止し、分岐条件確定待機状態以外の場
   合には投機的実行を行うことを特徴とする請求項４記載
   の条件分岐命令の投機的実行制御方法。
6. 【請求項６】 前記パイプラインプロセッサに複数の実
   行モードを用意し、特定モードの場合には条件分岐命令
   の分岐条件確定待機を選択可能とし、特定モード以外の
   場合には条件分岐命令の分岐条件確定待機を選択不能と
   したことを特徴とする請求項１，請求項２，請求項３，
   請求項４，または第５項記載の条件分岐命令の投機的実
   行制御方法。