JP2001014162A - 分岐予測方法およびデータ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の分岐予測方法によるデータ処理装置
は、ある分岐命令のプログラムアドレスにつき過去数回
の履歴パターンそれぞれに対応して分岐が生じる確率を
表した２ビットの情報を記憶したエントリが必要であ
り、並列に探索可能な連想メモリの容量が増え高コスト
になる。 【解決手段】 過去最も新しい条件分岐の実績及び過去
数回の分岐予測が的中したか否かの合否に基づく分岐予
測方法であり、ある分岐命令のプログラムアドレスにつ
き直前の分岐実績と分岐予測の合否記録と予測結果のみ
を分岐予測バッファのエントリとすることで、分岐予測
精度の高いデータ処理装置を低コストで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は分岐予測の方法と、
その方法に基づき分岐が成立するか否かを予測するデー
タ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、プロセッサの見かけ上の動作を高
速化するため、パイプライン処理が採用されている。と
ころが、プログラム中の分岐は、パイプライン処理のデ
ータ処理装置では、分岐が発生したときにパイプライン
中の先取りされた命令をフラッシュして新しい命令スト
リームを開始させなければならないため、命令当たりの
サイクル数という見地から性能を低下させる。この分岐
時に発生するバブルをなくすために、ある条件分岐命令
の分岐が成立か不成立かを予測して、パイプラインに命
令を先取りする分岐予測技術がある。

【０００３】従来の分岐予測方法には大きく分けて数ビ
ットの確率テーブルを分岐実績を基に更新する方法と過
去数回の分岐履歴を基に分岐を予測する方法がある。後
者の分岐予測方法で使われる分岐履歴と分岐予測の関係
を図３０、図３１に示す。図３０は、分岐予測バッファ
７の一エントリを示す図である。図３１は、分岐予測情
報の更新方法を示す図である。図３０のエントリが示す
ように、分岐命令のアドレスについて、該当する分岐命
令の過去４回の分岐結果の履歴と、前記過去数回の分岐
結果の履歴パターンごとに分岐が生じる確率を表した２
ビットの情報から成る分岐予測情報を格納する。分岐予
測は、次のように行なう。分岐予測バッファ７が、該当
する分岐命令の情報を格納している場合には、その分岐
命令の実行結果の履歴を調べる。この履歴情報を使っ
て、分岐の確率を示した情報を参照する。これは図３１
に示すように、「高い確率で分岐成立」、「低い確率で
分岐成立」、「低い確率で分岐不成立」、「高い確率で
分岐不成立」のいずれかであり、２ビットの情報で順に
１１、１０、０１、００で表すとする。得られた情報が
前の二つであれば分岐すると予測し、分岐先の命令のフ
ェッチを行なう。後の二つであれば、分岐しないと判断
する。実際に分岐結果が判明した時点で、分岐の確率を
示す２ビットの情報は、分岐した場合にビットをインク
リメントし、分岐しなかった場合はデクリメントするこ
とで更新される。インクリメントは１１で、デクリメン
トは００でそれぞれ飽和する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来例の数ビットの確率テーブルを分岐実績を基に更新す
る方法では、分岐、非分岐を交互に繰り返すような場合
に、正確さを欠くという欠点があった。また、過去数回
の分岐履歴を基に分岐を予測する方法は、分岐命令の過
去数回の履歴のパターンそれぞれに対応して分岐が生じ
る確率を表した２ビットの情報から成る分岐予測情報を
記憶したエントリが必要であり、そのエントリを並列に
探索する連想記憶メモリなどで構成する場合には、容量
が増えコストが高くなる。例えば、過去４回の履歴を調
べる場合には、あるプログラムアドレスにつき１６の履
歴パターン数を掛け合わせた数だけ分岐が生じる確率を
格納するための連想メモリが必要になる。以上の連想記
憶するデータ量と対応するパターンの検索と、分岐が生
じる確率を更新するためにかかるハードウェアにより、
データ処理装置が大規模化するという問題があった。

【０００５】本発明は上記問題を解決するもので、その
目的は、第１に少ないハードウェア規模で分岐が成立す
るか否かを予測する分岐予測方法を提供し、第２にその
分岐予測方法を用いたデータ処理装置を提供するもので
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の分岐予測方法は、条件分岐命令が
実行された時、分岐が過去最も新しい条件分岐の実績及
び過去数回の分岐予測が的中したか否かの合否に基づい
て発生するか否かを予測することを特徴とするものであ
る。

【０００７】請求項２に記載の分岐予測方法は、条件分
岐命令が実行された時、分岐が過去最も新しい条件分岐
の実績及び過去数回の分岐予測が的中したか否かの合否
履歴に基づいて、前記過去最も新しい条件分岐の実績の
保持か反転で分岐が発生するか否かを予測するものであ
り、その分岐予測方法を用いて分岐が成立するか否かを
予測するデータ処理装置を少ないハードウェア規模で実
現することを特徴とするものである。

【０００８】請求項３に記載の分岐予測方法は、条件分
岐命令が実行された時、分岐が過去最も新しい条件分岐
の実績及び過去数回の予測が的中したか否かの合否率に
基づいて、前記過去最も新しい条件分岐の実績の保持か
反転で分岐が発生するか否かを予測するものであり、そ
の分岐予測方法を用いて分岐が成立するか否かを予測す
るデータ処理装置を少ないハードウェア規模で実現する
ことを特徴とするものである。

【０００９】請求項４に記載のデータ処理装置は、分岐
の成立、不成立を分岐予測の確からしさと共に予測する
データ処理装置であり、その確からしさの度合いに基づ
いて先読みする命令量を変えるものであり、その確から
しさの度合いとして請求項５に記載のデータ処理装置
は、「高い確率で分岐成立」、「低い確率で分岐成
立」、「低い確率で分岐不成立」、「高い確率で分岐不
成立」の４段階で先読みする命令量を変えることを特徴
とするものである。また、請求項６、７に記載のデータ
処理装置は、それぞれ請求項２、３に記載の分岐予測方
法に基づき、分岐予測の確からしさが「分岐実績の反転
で予測する場合」よりも「分岐実績の保持で予測する場
合」の方がより優っているとして、先読みする命令量を
変えることを特徴とするものである。

【００１０】請求項８に記載のデータ処理装置は、分岐
の成立、不成立を分岐予測の確からしさと共に予測する
データ処理装置であり、その確からしさの度合いに基づ
いて、プログラムで出現する分岐命令の中から分岐予測
する分岐命令群を構成することを特徴とするものであ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下本発明の第
１実施形態について、図１、図２、図３、図４、図５、
図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、図１２を参
照して説明する。ここで、図１は、本実施形態のデータ
処理装置を示すブロック図である。図２は、本実施形態
の分岐予測手段を示すブロック図である。図３は、本実
施形態の分岐予測情報の読み出し動作を示すブロック図
である。図４は、本実施形態の分岐予測情報の更新動作
（エントリあり）を示すブロック図である。図５は、本
実施形態の分岐予測情報の更新動作（エントリあり）を
示すブロック図である。図６は、本実施形態の分岐予測
情報の更新動作（エントリなし）を示すブロック図であ
る。図７は、本実施形態の分岐予測情報の更新動作（エ
ントリなし）を示すブロック図である。図８は、本実施
形態のプログラムアドレス１の分岐予測過程を示す図で
ある。図９は、本実施形態のプログラムアドレス２の分
岐予測過程を示す図である。図１０は、本実施形態の分
岐予測アルゴリズムを示す図である。図１１は、本実施
形態の分岐予測合否情報生成手段の入出力データを示す
図である。図１２は、本実施形態の分岐予測情報生成手
段の入出力データを示す図である。

【００１２】（１）図１０に示す実施形態１の分岐予測
アルゴリズムを説明する。そのアルゴリズムとは、分岐
が前記記録及び過去数回の分岐予測が的中したか否かの
合否履歴パターンに基づいて、前記過去最も新しい条件
分岐の実績の保持か反転で分岐が発生するか否かを予測
するものである。ここで、分岐予測合否情報は過去４回
の分岐予測の合否のパターンを記録したものとする。分
岐予測合否情報は、４ビットで表されるがMSBを３回前
の合否とし、順に２回前の合否、１回前の合否、そして
LSBが直前の合否結果である。まず予測方法であるが、
分岐予測合否情報のパターンが１１１０、１１０１、１
０１１、０１１１のときは直前である現時刻ｔの分岐実
績の反転で予測する。たとえば、直前の分岐実績が１
（分岐）であれば非分岐と予測して分岐予測情報を０
に、直前の分岐実績が０（非分岐）であれば分岐と予測
して分岐予測情報を１とする。このとき、合否は時刻ｔ
-1の分岐予測情報と時刻ｔの分岐実績のEXCLUSIVE-NOR
であり、時刻ｔに判明する。ここで、ある時刻ｔとは分
岐命令のプログラムアドレスが出現して、実際に分岐命
令が実行され、次回時刻ｔ+1の分岐予測を行なった時間
である。分岐予測合否情報のパターンが１１１１のとき
は、直前の分岐実績の保持で予測する。たとえば、直前
の分岐実績が分岐であれば、次も分岐と予測する。分岐
予測合否情報のパターンがそれ以外のときは、過去４回
の合否情報を１１１１にセットして分岐実績の保持で予
測する。

【００１３】なお、本実施形態では、過去４回の分岐予
測の合否のパターンが１１１０、１１０１、１０１１、
０１１１、１１１１以外の場合に、本実施形態では１１
１１にセットして初期化するとしたが、初期化しない場
合には、１１１０、１１０１、１０１１、１１１１以外
の合否のパターンに対してそれぞれ、「分岐実績の保
持」で予測するか「分岐実績の反転」で予測するかを定
めれば良いのであって、容易に実施可能である。

【００１４】また、本実施形態では、分岐予測合否情報
のあるパターンが「分岐実績の保持」で予測するパター
ンであるか「分岐実績の反転」で予測するパターンであ
るかを図１０のように定めているが、図１０に記載した
予測方法以外に定めても良い。

【００１５】以上のアルゴリズムに従い、プログラムア
ドレス１とプログラムアドレス２の分岐命令について分
岐予測した例が図８、図９に示されている。ここで、図
８、図９の分岐予測情報は、ある時刻ｔに分岐命令のプ
ログラムアドレスが出現して分岐実績が判明してから、
その分岐予測情報の更新が完了したときの値が示してあ
る。また、分岐実績は、ある時刻ｔに分岐命令のプログ
ラムアドレスが出現して、実際に分岐したかどうかの記
録である。分岐予測合否情報は、ある時刻ｔに分岐命令
のプログラムアドレスが出現して、時刻ｔ-1に予測して
おいた分岐予測情報と分岐実績からその合否が判明して
更新された分岐予測合否情報の値が示してある。ここ
で、合否は時刻ｔ-1の分岐予測情報と時刻ｔの分岐実績
から、時刻ｔに判明するものである。

【００１６】プログラムアドレス１の分岐命令の予測過
程を説明する。プログラムアドレス１がはじめて検出さ
れたとき（ｔ＝１）には、分岐予測合否情報は１１１１
で、分岐実績は１で分岐予測情報は分岐実績の保持であ
る分岐になり、プログラムアドレス１が２回目に検出さ
れたとき（ｔ＝２）は分岐すると予測される。ｔ＝２の
分岐実績が実際は非分岐であったので、ｔ＝２の分岐実
績に０が格納される。また、ｔ＝２の分岐予測合否情報
は分岐予測情報と分岐実績に基づき１１１１から１１１
０に更新される。この分岐予測合否情報により３回目の
分岐予測情報は、２回目の分岐実績の反転である分岐に
なる。従って、プログラムアドレス１が３回目に検出さ
れたとき（ｔ＝３）は分岐すると予測される。その分岐
実績が分岐であったので、ｔ＝３の分岐実績に１が格納
される。また、ｔ＝３の分岐予測合否情報は分岐予測情
報と分岐実績に基づき１１０１に更新される。この分岐
予測合否情報により４回目の分岐予測情報は、３回目の
分岐実績の反転である非分岐になる。従って、プログラ
ムアドレス１が４回目に検出されたとき（ｔ＝４）は非
分岐と予測される。その分岐実績が非分岐であったの
で、ｔ＝４の分岐実績に０が格納される。また、ｔ＝４
の分岐予測合否情報は分岐予測情報と分岐実績に基づき
１０１１に更新される。この分岐予測合否情報により５
回目の分岐予測情報は、４回目の分岐実績の反転である
分岐になる。従って、プログラムアドレス１が５回目に
検出されたとき（ｔ＝５）は分岐と予測される。以降、
同様に分岐実績と分岐予測合否情報と分岐予測情報が更
新される。

【００１７】プログラムアドレス２の分岐命令の予測過
程を説明する。このプログラムアドレス２はループ処理
の例である。プログラムアドレス２がはじめて検出され
たとき（ｔ＝１）には、分岐予測合否情報は１１１１
で、分岐実績は１で分岐予測情報は分岐実績の保持であ
る分岐になり、プログラムアドレス２が２回目に検出さ
れたとき（ｔ＝２）は分岐すると予測される。ｔ＝２の
分岐実績が実際は分岐であったので、ｔ＝２の分岐実績
に１が格納される。また、ｔ＝２の分岐予測合否情報は
分岐予測情報と分岐実績に基づき１１１１になる。この
分岐予測合否情報により３回目の分岐予測情報は、２回
目の分岐実績の保持である分岐になる。従って、プログ
ラムアドレス２が３回目に検出されたとき（ｔ＝３）は
分岐すると予測される。その分岐実績が分岐であったの
で、ｔ＝３の分岐実績に１が格納される。また、ｔ＝３
の分岐予測合否情報は分岐予測情報と分岐実績に基づき
１１１１になる。この分岐予測合否情報により４回目の
分岐予測情報は、３回目の分岐実績の保持である分岐に
なる。従って、プログラムアドレス２が４回目に検出さ
れたとき（ｔ＝４）は分岐と予測される。以降、分岐予
測を繰り返して、プログラムアドレス２が７回目に検出
されたとき（ｔ＝７）は分岐すると予測する。その分岐
実績が非分岐であったので、ｔ＝７の分岐実績に０が格
納される。また、ｔ＝７の分岐予測合否情報は分岐予測
情報と分岐実績に基づき１１１０になる。この分岐予測
合否情報により８回目の分岐予測情報は、７回目の分岐
実績の反転である分岐になる。従って、プログラムアド
レス２が８回目に検出されたとき（ｔ＝８）は分岐と予
測される。その分岐実績が分岐であったので、ｔ＝８の
分岐実績に１が格納される。また、ｔ＝８の分岐予測合
否情報は分岐予測情報と分岐実績に基づき１１０１にな
る。この分岐予測合否情報により９回目の分岐予測情報
は、８回目の分岐実績の反転である非分岐になる。従っ
て、プログラムアドレス２が９回目に検出されたとき
（ｔ＝９）は非分岐と予測される。その分岐実績が分岐
であったので、ｔ＝９の分岐実績に１が格納される。ま
た、ｔ＝９の分岐予測合否情報は分岐予測情報と分岐実
績に基づき１０１０となり、１１１１にセットされる。
この分岐予測合否情報により１０回目の分岐予測情報
は、９回目の分岐実績の保持である分岐になる。以降、
同様に分岐実績と分岐予測合否情報と分岐予測情報が更
新される。

【００１８】以上のように、本実施形態１は、分岐が前
記記録及び過去数回の分岐予測が的中したか否かの合否
履歴であるパターンに基づいて、前記過去最も新しい条
件分岐の実績の保持か反転で分岐が発生するか否かを予
測する分岐予測方法である。

【００１９】（２）図１は第１実施形態におけるデータ
処理装置のブロック図である。命令先行解読手段６が出
力する分岐命令検出信号は、分岐予測手段３に接続され
ている。分岐予測手段３が出力するカウンタ制御信号は
カウンタ制御手段１４に、バッファ制御信号はバッファ
制御手段８へと接続されている。分岐予測手段３が出力
する分岐先アドレスは、プログラムカウンタ１３に接続
されている。命令バッファ手段２から出力される命令
は、命令解読手段１によって解読され命令実行手段１２
により実行される。バッファ制御手段８が出力する命令
バッファ制御信号は、命令バッファ手段２に接続されて
いる。汎用レジスタ手段１１のレジスタを命令実行手段
１２はリードライトアクセスする。プログラムカウンタ
１３は実行命令カウンタとフェッチ命令カウンタと分岐
先命令アドレスカウンタを備え、カウンタ制御手段１４
の出力するカウンタ制御手段出力信号により制御され
る。プログラムカウンタ１３の出力する命令プリフェッ
チアドレスは、命令記憶手段９とプログラムアドレス生
成手段１０に接続されている。プログラムアドレス生成
手段１０が出力するプログラムアドレスは、分岐予測手
段３に接続されている。同じくプログラムカウンタ１３
の出力する実行命令アドレスは、分岐予測手段３に接続
されている。命令記憶手段９から読み出される命令は、
プリフェッチ命令バスにより命令バッファ手段２および
命令先行解読手段６に転送される。命令解読手段１の出
力する分岐予測更新信号は、分岐予測手段３に接続され
る。命令解読手段１の出力する命令実行制御信号は、命
令実行手段１２に接続される。命令解読手段１が出力す
るセレクト信号はセレクタＡ１７に接続される。命令記
憶手段９の出力である命令プリフェッチバスと命令バッ
ファ手段２の出力である命令バッファ出力バスとは、セ
レクタＡ１７で選択された後、命令フェッチバスにより
命令解読手段１に接続される。命令実行手段１２が出力
する過去最も新しい分岐実績信号は、分岐予測手段３に
接続されている。命令実行手段１２が出力する分岐先ア
ドレスは、分岐予測手段３に接続されている。

【００２０】図２に示すように、分岐予測バッファ７は
４つのエントリをもち、各エントリに分岐命令のプログ
ラムアドレス、分岐先アドレス、分岐実績、分岐予測合
否情報、分岐予測情報を格納する。分岐予測情報生成手
段５が出力する分岐予測情報は分岐予測バッファ７に接
続される。分岐予測合否情報生成手段４が出力する分岐
予測合否情報信号は、分岐予測バッファ７に接続されて
いる。分岐実績と分岐予測情報のEXCLUSIVE-NOR出力で
ある合否と分岐予測合否情報は、分岐予測合否情報生成
手段４に接続される。分岐実績と分岐予測合否情報生成
手段４の出力である分岐予測合否情報は、分岐予測情報
生成手段５に接続される。分岐予測制御回路１８には、
分岐命令検出信号と分岐予測更新信号と分岐予測情報と
一致信号が入力され、バッファ制御信号とカウンタ制御
信号が出力される。同じく分岐予測制御回路１８は、イ
ンクリメント信号をインクリメンタ２１に、分岐予測開
始信号を分岐予測合否情報生成手段４と分岐予測情報生
成手段５に出力する。エントリレジスタ２０が出力する
２ビットの情報を転送するエントリバスは、分岐予測バ
ッファ７に接続されている。インクリメンタ２１が出力
する２ビットの情報であるデータは、エントリレジスタ
２０に接続されている。分岐予測バッファ７が出力する
一致信号は、エントリレジスタ２０と分岐予測制御回路
１８と分岐予測合否情報生成手段４と分岐予測情報生成
手段５に接続されている。分岐命令検出信号は、セレク
タＢ１９と分岐予測制御回路１８と分岐予測バッファ７
に接続されている。分岐予測更新信号は、分岐予測制御
回路１８とエントリレジスタ２０と分岐予測バッファ７
に接続されている。セレクタＢ１９は、プログラムアド
レスと実行命令アドレスを分岐命令検出信号によりセレ
クトして、分岐予測バッファ７に出力する。なお、本実
施形態では、分岐予測バッファ７にエントリできる数を
４としたが、その数はデータ処理装置のハードウェアに
かかるコストと性能のトレードオフに応じて自由に設定
できる。

【００２１】本実施形態のデータ処理装置は、命令フェ
ッチ（IF）ステージ、命令解読（DEC）ステージ、命令
実行（EX）ステージからなる３段のパイプラインでデー
タ処理をするものである。まず、そのパイプライン処理
について図１を参照して説明する。プリフェッチされた
命令は命令バッファに格納される。そのプリフェッチさ
れた命令は、プリフェッチ命令バスで先行解読手段にも
転送された後、それが分岐命令ならば分岐命令検出信号
が出力される。命令フェッチ（IF）ステージでは、あら
かじめ命令バッファにプリフェッチされている命令を命
令バスを介して命令解読手段１に転送する。命令解読
（DEC）ステージでは、命令を解読して生成された命令
実行制御信号を命令実行手段１２に出力する。また、条
件分岐命令が分岐するかの判定がなされる。命令実行
（EX）ステージでは、命令実行制御信号により命令実行
手段１２が命令を実行する。

【００２２】本実施形態１のデータ処理装置において、
分岐予測が正しかった場合には、命令バッファにあらか
じめプリフェッチされていた命令が命令解読手段１に転
送されるので、パイプラインハザードは発生しないが、
分岐予測を誤ったときにハザードの要因となってしまう
命令の解読結果である命令実行制御信号は無効にされ
る。それと同時に、本来実行されるべき命令を命令記憶
手段９からプリフェッチ命令バスによりセレクタＡ１７
を介して命令解読手段１に転送しなければならないの
で、分岐インタロックによるペナルティが発生する。

【００２３】分岐命令によるハザードを分類すると次の
ようになる。分岐命令が分岐するときに、その予測を誤
ると分岐先の命令を命令記憶手段９からフェッチするた
めにパイプラインハザードが生じる。一方、予測が正し
いと命令バッファにあらかじめプリフェッチされていた
分岐先アドレスの命令が連続して命令解読手段１に転送
されるので、ハザードは生じない。分岐命令が分岐しな
いときに、その予測を誤ると後続する命令のフェッチを
再開するためにパイプラインハザードが生じる。一方、
予測が正しいと、命令バッファにあらかじめプリフェッ
チされていた後続のアドレスの命令が連続して命令解読
手段１に転送され、ハザードは生じない。分岐予測バッ
ファ７に命令先行解読手段６により検出された分岐命令
のプログラムアドレスがエントリされていない場合に
は、予測は行われず非分岐先の命令をプリフェッチする
ので、分岐命令が分岐するときに必ずパイプラインハザ
ードが生じることになる。

【００２４】次に本実施形態の作用を説明する。まず、
命令先行解読手段６が分岐命令を検出したときの動作を
説明する。分岐命令検出信号がイネーブルになり分岐予
測手段３に出力される。この分岐命令のプログラムアド
レス２がプログラムアドレス生成手段１０を通じて分岐
予測バッファ７に転送される。そして、セレクタＢ１９
が分岐命令検出信号がイネーブルのとき、このプログラ
ムアドレスを分岐予測バッファ７に転送する。図３に示
す連想メモリである分岐予測バッファ７からの読み出し
動作では、タグであるプログラムアドレスが入力され、
並列処理で同一プログラムアドレスが格納されているエ
ントリが探索される。エントリされている場合には、プ
ログラムアドレス２のエントリがヒットして一致信号が
イネーブルになると同時に、分岐先アドレス、分岐予測
情報が読み出される。分岐予測情報に格納された情報が
１であれば分岐、０であれば非分岐と予測する。分岐予
測情報は分岐予測制御回路１８に出力されて、分岐する
と予測している場合には、分岐先命令アドレスカウンタ
に分岐予測手段３が出力した分岐先アドレスがセットさ
れた後に、分岐予測制御回路１８からのカウンタ制御信
号がカウンタ制御手段１４に出力される。そして、分岐
先アドレスが命令プリフェッチアドレスとして命令記憶
手段９に出力され、分岐先アドレスから始まる命令スト
リームが命令記憶手段９から命令バッファ手段２に転送
される。一方、分岐しないと予測している場合には、分
岐予測手段３からのカウンタ制御信号がカウンタ制御手
段１４に出力され、非分岐側の命令アドレスが命令プリ
フェッチアドレスとして命令記憶手段９に出力され、非
分岐先アドレスの連続する命令ストリームが命令記憶手
段９から命令バッファ手段２に転送される。もし、分岐
予測バッファ７に分岐命令のプログラムアドレスがエン
トリされていない場合には、一致信号がディスエーブル
になり、分岐予測は行われない。

【００２５】次に、分岐予測情報の更新動作を順を追っ
て図４、図５で説明する。

【００２６】図４に示すように、分岐命令が命令実行手
段１２により実行されると命令解読手段１より分岐予測
更新信号がイネーブルになり命令予測手段３に出力され
る。すると分岐命令検出信号がディスエーブルのとき、
セレクタＢ１９は実行した分岐命令の実行命令アドレス
を選択して、分岐予測バッファ７に出力する。この実行
命令アドレスをタグとして探索しヒットすると分岐予測
バッファ７は一致信号を出力する。このとき、分岐予測
バッファ７には、すでに３つのプログラムアドレスがエ
ントリされており、その中でエントリ１がヒットしたと
すると、命令実行手段１２より出力される分岐先アドレ
スと命令実行手段１２より出力される分岐実績が分岐予
測バッファ７の対応するエントリ１に格納される。

【００２７】図４に示す処理が完了した後、図５に示す
ように分岐予測制御回路１８より分岐予測開始信号が分
岐予測合否情報生成手段４と分岐予測情報生成手段５に
出力される。分岐予測合否情報生成手段４は分岐予測バ
ッファ７のエントリに格納された分岐予測合否情報と今
回の合否を入力データとし、新たな分岐予測合否情報を
出力する。ここで合否とは、分岐実績と分岐予測情報の
EXCLUSIVE-NORで表される情報であり、予測が正しかっ
たときに１を予測が誤りのときに０になる。この分岐予
測合否情報生成手段４の入出力データを図１１に示す。
本実施形態では、分岐予測合否情報は４ビットからなる
情報であり、初期値は１１１１である。その更新の方法
は更新前の情報を１ビット左にシフトした後、最下位ビ
ットに合否情報を代入するものである。たとえば、更新
前の情報が１１１１であり、今回の分岐予測がはずれた
場合には１１１０に更新される。ただし、更新された情
報が１１１０、１１０１、１０１１、０１１１、１１１
１以外の場合には、１１１１にセットされる。その後、
分岐予測情報生成手段５は今回の合否により更新された
分岐予測合否情報と分岐実績を入力データとし、新たな
分岐予測情報を出力する。この分岐予測情報生成手段５
の入出力データを図１２に示す。分岐予測合否情報生成
手段４と分岐予測情報生成手段５により更新された分岐
予測合否情報と分岐予測情報は対応するエントリ１に格
納されて、分岐予測情報の更新動作が完了する。一致信
号がイネーブルの場合、更新動作完了の後に、インクリ
メント信号は出力されない。

【００２８】次に、分岐予測バッファ７に対応するプロ
グラムアドレスがエントリされていない場合を図６、図
７により示す。まず図６であるが、このとき、分岐予測
更新信号はイネーブルになり、分岐予測バッファ７の一
致信号はディスエーブルになる。すると、エントリレジ
スタ２０がエントリバスを介してエントリ番号を分岐予
測バッファ７に出力する。ここでは、すでにエントリさ
れている分岐命令が３つあり、エントリ３に新しい分岐
命令を格納する場合を図示してあり、したがってエント
リレジスタ２０は１１を出力する。なお、このエントリ
レジスタ２０は、データ処理装置のリセット時に００に
されるものとし、新しく分岐命令が出現した時にエント
リする番号を２ビットで保持するレジスタであり、一致
信号がイネーブルのときは使用されない。分岐予測バッ
ファ７への書き込み動作は、分岐予測更新信号がイネー
ブルかつ一致信号がディスエーブルのときエントリ番号
が示すエントリとなる。実行命令アドレスがセレクタＢ
１９で選択されて分岐予測バッファ７に出力されると、
対応するエントリ３のプログラムアドレスに格納され
る。また、命令実行手段１２は分岐実績を、命令実行手
段１２は分岐先アドレスをそれぞれ対応するエントリ３
に格納する。もし、エントリレジスタ２０が００ならエ
ントリ０、０１ならエントリ１、１０ならエントリ２、
１１ならエントリ３に対応する。

【００２９】図６に示す処理が完了した後、図７に示す
ように分岐予測制御回路１８より分岐予測開始信号が分
岐予測合否情報生成手段４と分岐予測情報生成手段５に
出力される。分岐予測合否情報生成手段４は、入力され
た一致信号がディスエーブルならば初期設定値である１
１１１を生成する。その後、分岐予測情報生成手段５は
今回の合否により更新された分岐予測合否情報と分岐実
績を入力データとし、分岐予測情報を出力する。分岐予
測合否情報生成手段４と分岐予測情報生成手段５により
更新された分岐予測合否情報と分岐予測情報は対応する
エントリに格納されて、分岐予測情報の更新動作が完了
すると、分岐予測制御回路１８からインクリメント信号
が出力される。インクリメントされた２ビットのデータ
がインクリメンタ２１から出力されエントリレジスタ２
０に格納される。このインクリメンタ２１の値は、デー
タ処理装置のリセット時に００にされる。また、１１か
らのインクリメントは００になるものとし、したがっ
て、エントリレジスタ２０のとる値は４通りである。本
実施形態の場合は、１１からインクリメントされて００
がエントリレジスタ２０に格納され、次回の一致信号が
ディスエーブルのときはエントリ０に更新動作がなされ
る。上記のように、分岐予測バッファ７に対応するプロ
グラムアドレスがエントリされていない場合にも更新動
作が行われる。

【００３０】（３）以上のように、本実施形態１は、分
岐が前記記録及び過去数回の分岐予測が的中したか否か
の合否履歴パターンに基づいて、前記過去最も新しい条
件分岐の実績の保持か反転で分岐が発生するか否かを予
測する分岐予測方法とその分岐予測方法に基づくデータ
処理装置であり、その分岐予測結果が示すとおり、成立
と不成立を交互に繰り返すパターンやループ処理におい
て精度良く分岐予測が可能である。また、過去数回の分
岐履歴を基に分岐を予測する従来の方法が、分岐命令の
過去数回の履歴のパターンそれぞれに対応して分岐が生
じる確率を表した２ビットの情報から成る分岐予測情報
を記憶したエントリが必要であり、連想記憶するデータ
量と対応するパターンの検索と、分岐が生じる確率を更
新するためにかかるハードウェアにより、データ処理装
置が大規模化するという問題があったのに対して、ある
分岐命令のプログラムアドレスにつき直前の分岐実績と
分岐予測の合否記録と分岐予測結果のみを分岐予測バッ
ファのエントリとすることでデータ処理装置を低コスト
で構成することができる。

【００３１】（実施の形態２）本発明の第２実施形態に
ついて、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、
図１３、図１４、図１５、図１６、図１７を参照して説
明する。ここで、図１は、本実施形態のデータ処理装置
を示すブロック図である。図２は、本実施形態の分岐予
測手段を示すブロック図である。図３は、本実施形態の
分岐予測情報の読み出し動作を示すブロック図である。
図４は、本実施形態の分岐予測情報の更新動作（エント
リあり）を示すブロック図である。図５は、本実施形態
の分岐予測情報の更新動作（エントリあり）を示すブロ
ック図である。図６は、本実施形態の分岐予測情報の更
新動作（エントリなし）を示すブロック図である。図７
は、本実施形態の分岐予測情報の更新動作（エントリな
し）を示すブロック図である。図１３は、本実施形態の
プログラムアドレス１の分岐予測過程を示す図である。
図１４は、本実施形態のプログラムアドレス２の分岐予
測過程を示す図である。図１５は、本実施形態の分岐予
測アルゴリズムを示す図である。図１６は、本実施形態
の分岐予測合否情報生成手段の入出力データを示す図で
ある。図１７は、本実施形態の分岐予測情報生成手段の
入出力データを示す図である。

【００３２】（１）図１５に示す実施形態２の分岐予測
アルゴリズムを説明する。分岐予測合否情報は、分岐予
測の合否率を示す２ビットの情報とする。時刻ｔ-1から
時刻tへの分岐予測合否情報は次のように更新される。
分岐予測が正しいときに１インクリメント、誤りのとき
に１デクリメントされる。インクリメントは１１で飽和
し、デクリメントは００で飽和する。つまり、連続して
正解すると１１で飽和し、不正解が続くと００で飽和す
ることになる。ここで、ある時刻ｔとは分岐命令のプロ
グラムアドレスが出現して、実際に分岐命令が実行さ
れ、次回時刻ｔ+1の分岐予測を行なった時間である。分
岐予測の方法は、分岐予測合否情報のパターンが１０の
ときは、直前である現時刻ｔの分岐実績の反転で予測す
る。たとえば、直前の分岐実績が１（分岐）であれば非
分岐と予測して分岐予測情報を０に、直前の分岐実績が
０（非分岐）であれば分岐と予測して分岐予測情報を１
とする。このとき、合否は時刻ｔ-1の分岐予測情報と時
刻ｔの分岐実績のEXCLUSIVE-NORであり、時刻ｔに判明
する。分岐予測合否情報のパターンが１０以外のとき
は、直前の分岐実績の保持で予測する。たとえば、直前
の分岐実績が分岐であれば、次も分岐と予測する。

【００３３】なお、本実施形態では、分岐予測合否情報
が示す合否率に対応して「分岐実績の保持」で予測する
か「分岐実績の反転」で予測するかを図１５のように定
めているが、本実施形態に記載した分岐予測の組合わせ
以外も容易に実施できる。

【００３４】以上のアルゴリズムに従い、プログラムア
ドレス１とプログラムアドレス２の分岐予測過程がそれ
ぞれ図１３、図１４に示されている。ここで、図１３、
図１４の分岐予測情報は、ある時刻ｔに分岐命令のプロ
グラムアドレスが出現し、分岐実績が判明してから分岐
予測情報の更新が完了したときの値が示してある。ま
た、分岐実績は、ある時刻ｔに分岐命令のプログラムア
ドレスが出現して、実際に分岐したかどうかの記録であ
る。分岐予測合否情報は、ある時刻ｔに分岐命令のプロ
グラムアドレスが出現して、時刻ｔ-1に予測した分岐予
測情報と分岐実績からその合否が判明して更新された分
岐予測合否情報の値である。ここで、合否は時刻ｔ-1の
分岐予測情報と時刻ｔの分岐実績から、時刻ｔに判明す
るものである。

【００３５】プログラムアドレス１の分岐命令の予測過
程を説明する。プログラムアドレス１がはじめて検出さ
れたとき（ｔ＝１）には、分岐予測合否情報は１１にセ
ットされ、分岐予測合否情報は分岐実績が非分岐であっ
たので分岐実績の保持である非分岐となる。次に、プロ
グラムアドレス１が２回目に検出されたとき（ｔ＝２）
は非分岐と予測される。その分岐実績が実際は非分岐で
あったので、ｔ＝２の分岐実績に０が格納される。ま
た、ｔ＝２の分岐予測合否情報は分岐予測情報と分岐実
績に基づき１１に更新される。この分岐予測合否情報に
より３回目の分岐予測情報は、２回目の分岐実績の保持
である非分岐になる。従って、プログラムアドレス１が
３回目に検出されたとき（ｔ＝３）は非分岐と予測され
る。その分岐実績が分岐であったので、ｔ＝３の分岐実
績に０が格納される。また、ｔ＝３の分岐予測合否情報
は分岐予測情報と分岐実績に基づき１１に更新される。
この分岐予測合否情報により４回目の分岐予測情報は、
３回目の分岐実績の保持である非分岐になる。従って、
プログラムアドレス１が４回目に検出されたとき（ｔ＝
４）は非分岐と予測される。以下同様にして、プログラ
ムアドレス１が６回目に検出されたとき（ｔ＝６）は非
分岐と予測される。その分岐実績が分岐であったので、
ｔ＝６の分岐実績に１が格納される。また、ｔ＝６の分
岐予測合否情報は分岐予測情報と分岐実績に基づき１０
に更新される。この分岐予測合否情報により７回目の分
岐予測情報は、６回目の分岐実績の反転である非分岐に
なる。従って、プログラムアドレス１が７回目に検出さ
れたとき（ｔ＝７）は非分岐と予測される。その分岐実
績が分岐であったので、ｔ＝７の分岐実績に１が格納さ
れる。また、ｔ＝７の分岐予測合否情報は分岐予測情報
と分岐実績に基づき０１に更新される。この分岐予測合
否情報により８回目の分岐予測情報は、７回目の分岐実
績の保持である分岐になる。従って、プログラムアドレ
ス１が８回目に検出されたとき（ｔ＝８）は分岐と予測
される。以降、同様に分岐実績と分岐予測合否情報と分
岐予測情報が更新される。

【００３６】プログラムアドレス２の分岐命令の予測過
程を説明する。プログラムアドレス２がはじめて検出さ
れたとき（ｔ＝１）には、分岐予測合否情報は１１にセ
ットされ、分岐予測合否情報は分岐実績が分岐であった
ので分岐実績の保持である分岐となる。次に、プログラ
ムアドレス２が２回目に検出されたとき（ｔ＝２）は分
岐と予測される。その分岐実績が実際は分岐であったの
で、ｔ＝２の分岐実績に１が格納される。また、ｔ＝２
の分岐予測合否情報は分岐予測情報と分岐実績に基づき
１１のままである。この分岐予測合否情報により３回目
の分岐予測情報は、２回目の分岐実績の保持である分岐
になる。従って、プログラムアドレス２が３回目に検出
されたとき（ｔ＝３）は分岐と予測される。その分岐実
績が分岐であったので、ｔ＝３の分岐実績に１が格納さ
れる。また、ｔ＝３の分岐予測合否情報は分岐予測情報
と分岐実績に基づき１１のままである。この分岐予測合
否情報により４回目の分岐予測情報は、３回目の分岐実
績の保持である分岐になる。従って、プログラムアドレ
ス２が４回目に検出されたとき（ｔ＝４）は分岐と予測
される。以下同様にして、プログラムアドレス２が７回
目に検出されたとき（ｔ＝７）は分岐と予測される。そ
の分岐実績が非分岐であったので、ｔ＝７の分岐実績に
０が格納される。また、ｔ＝７の分岐予測合否情報は分
岐予測情報と分岐実績に基づき１０に更新される。この
分岐予測合否情報により８回目の分岐予測情報は、７回
目の分岐実績の反転である分岐になる。従って、プログ
ラムアドレス２が８回目に検出されたとき（ｔ＝８）は
分岐と予測される。以降、同様に分岐実績と分岐予測合
否情報と分岐予測情報が更新される。

【００３７】以上のように、本実施形態２は、分岐が前
記記録及び過去数回の分岐予測が的中したか否かの合否
率に基づいて、前記過去最も新しい条件分岐の実績の保
持か反転で分岐が発生するか否かを予測するものであ
る。

【００３８】（２）図１は本実施形態におけるデータ処
理装置のブロック図である。図２は、分岐予測手段を示
すブロック図である。ここで、分岐予測情報生成手段５
は図１７に示す分岐予測情報を生成する。分岐予測合否
情報生成手段４は図１６に示す分岐予測合否情報を生成
する。図２に示すように、分岐予測バッファ７は４つの
エントリをもち、一つのエントリに分岐命令のプログラ
ムアドレス、分岐先アドレス、分岐実績、２ビットで表
される分岐予測合否情報、分岐予測情報を格納する。

【００３９】本実施形態の作用を説明する。

【００４０】まず、命令先行解読手段６が分岐命令を検
出したときの動作を説明する。分岐命令検出信号がイネ
ーブルになり分岐予測手段３に出力される。この分岐命
令のプログラムアドレスがプログラムアドレス生成手段
１０を通じて分岐予測手段３に転送される。図３に示す
連想メモリである分岐予測バッファ７からの読み出し動
作では、タグであるプログラムアドレスが入力され、並
列処理で同一プログラムアドレスが格納されているエン
トリが探索される。エントリされている場合には、プロ
グラムアドレス２のエントリがヒットして一致信号がイ
ネーブルになると同時に、分岐先アドレス、分岐予測情
報が読み出される。分岐予測情報に格納された情報が１
であれば分岐、０であれば非分岐と予測する。分岐予測
情報は分岐予測制御回路１８に出力されて、分岐すると
予測している場合には、分岐先命令アドレスカウンタに
分岐予測手段３が出力した分岐先アドレスがセットされ
た後に、分岐予測制御回路１８からのカウンタ制御信号
がカウンタ制御手段１４に出力される。そして、分岐先
アドレスが命令プリフェッチアドレスとして命令記憶手
段９に出力され、分岐先アドレスから始まる命令ストリ
ームが命令記憶手段９から命令バッファ手段２に転送さ
れる。一方、分岐しないと予測している場合には、分岐
予測手段３からのカウンタ制御信号がカウンタ制御手段
１４に出力され、非分岐側の命令アドレスが命令プリフ
ェッチアドレスとして命令記憶手段９に出力され、非分
岐先アドレスの連続する命令ストリームが命令記憶手段
９から命令バッファ手段２に転送される。もし、分岐予
測バッファ７に分岐命令のプログラムアドレスがエント
リされていない場合には、一致信号がディスエーブルに
なり、分岐予測は行われない。

【００４１】次に、分岐予測情報の更新動作を順を追っ
て図４、図５で説明する。また、本実施形態の分岐予測
合否情報生成手段４を図１６に、分岐予測情報生成手段
５を図１７にそれぞれ示す。

【００４２】図４に示すように、分岐命令が命令実行手
段１２により実行されると命令解読手段１より分岐予測
更新信号がイネーブルになり命令予測手段３に出力され
る。すると分岐命令検出信号がディスエーブルのとき、
セレクタＢ１９は実行した分岐命令の実行命令アドレス
を選択して、分岐予測バッファ７に出力する。この実行
命令アドレスをタグとして探索しヒットすると分岐予測
バッファ７は一致信号を出力する。このとき、エントリ
１がヒットしたとする。命令実行手段１２より出力され
る分岐先アドレスと命令実行手段１２より出力される分
岐実績が分岐予測バッファ７の対応するエントリ１に格
納される。

【００４３】図４に示す処理が完了した後、図５に示す
ように分岐予測制御回路１８より分岐予測開始信号が分
岐予測合否情報生成手段４と分岐予測情報生成手段５に
出力される。分岐予測合否情報生成手段４は分岐予測バ
ッファのエントリに格納された分岐予測合否情報と今回
の合否から図１６に示すように分岐予測合否情報を更新
する。ここで合否とは、分岐実績と分岐予測情報のEXCL
USIVE-NORで表される情報であり、予測が正しかったと
きに１を予測が誤りのときに０になる。本実施形態で
は、分岐予測合否情報は２ビットからなる情報であり、
初期値は１１である。分岐予測合否情報生成手段４は、
読み出した分岐予測合否情報に合否を加える。ここで、
合否が１ならば分岐予測合否情報はインクリメントされ
１１で飽和し、合否が０ならばデクリメントされ００で
飽和する。その後、分岐予測情報生成手段５は今回の合
否により更新された分岐予測合否情報と分岐実績から、
図１７に示すように新たな分岐予測情報を生成し、対応
するエントリに格納して分岐予測情報の更新動作が完了
する。

【００４４】次に、分岐予測バッファ７に対応するプロ
グラムアドレスがエントリされていない場合を図６、図
７により示す。まず図６であるが、このとき、分岐予測
更新信号はイネーブルになり、分岐予測バッファ７の一
致信号はディスエーブルになる。すると、エントリレジ
スタ２０がエントリ番号を分岐予測バッファ７に出力す
る。なお、このエントリレジスタ２０は、データ処理装
置のリセット時に００にされるものとする。分岐予測バ
ッファ７への書き込み動作は、分岐予測更新信号がイネ
ーブルかつ一致信号がディスエーブルのときエントリ番
号が示すエントリとなる。実行命令アドレスがセレクタ
Ｂ１９で選択されて分岐予測バッファ７に出力される
と、対応するエントリのプログラムアドレスに格納され
る。また、命令実行手段１２は分岐実績を、命令実行手
段１２は分岐先アドレスをそれぞれ対応するエントリに
格納する。ここで、エントリレジスタ２０が００ならエ
ントリ０、０１ならエントリ１、１０ならエントリ２、
１１ならエントリ３に対応する。

【００４５】図６に示す処理が完了した後、図７に示す
ように分岐予測制御回路１８より分岐予測開始信号が分
岐予測合否情報生成手段４と分岐予測情報生成手段５に
出力される。分岐予測合否情報生成手段４は、入力され
た一致信号がディスエーブルならば初期設定値である１
１を生成する。その後、分岐予測情報生成手段５は今回
の合否により更新された分岐予測合否情報と分岐実績を
入力データとし、分岐予測情報を出力する。分岐予測合
否情報生成手段４と分岐予測情報生成手段５により更新
された分岐予測合否情報と分岐予測情報は対応するエン
トリに格納されて、分岐予測情報の更新動作が完了する
と、分岐予測制御回路１８からインクリメント信号が出
力される。インクリメントされた２ビットのデータがイ
ンクリメンタ２１から出力されエントリレジスタ２０に
格納される。このインクリメンタ２１の値は、データ処
理装置のリセット時に００にされる。また、１１からの
インクリメントは００になるものとし、したがって、エ
ントリレジスタ２０のとる値は４通りである。上記のよ
うに、分岐予測バッファ７に対応するプログラムアドレ
スがエントリされていない場合にも更新動作が行われ
る。

【００４６】（３）以上のように、本実施形態２は、分
岐が前記記録及び過去数回の分岐予測が的中したか否か
の合否率に基づいて、前記過去最も新しい条件分岐の実
績の保持か反転で分岐が発生するか否かを予測する分岐
予測方法とその分岐予測方法に基づくデータ処理装置で
あり、その分岐予測結果が示すとおり、精度良く分岐予
測が可能である。また、過去数回の分岐履歴を基に分岐
を予測する従来の方法が、分岐命令の過去数回の履歴の
パターンそれぞれに対応して分岐が生じる確率を表した
２ビットの情報から成る分岐予測情報を記憶したエント
リが必要であり、連想記憶するデータ量と対応するパタ
ーンの検索と、分岐が生じる確率を更新するためにかか
るハードウェアにより、データ処理装置が大規模化する
という問題があったのに対して、ある分岐命令のプログ
ラムアドレスにつき直前の分岐実績と分岐予測の合否記
録と分岐予測結果のみを分岐予測バッファのエントリと
することでデータ処理装置を低コストで構成することが
できる。

【００４７】（実施の形態３）以下本発明の第３実施形
態について、図４、図５、図６、図７、図１８、図１
９、図２０、図２１、図２２、図２３、図２４、図２
５、図２６を参照して説明する。ここで、図４は、本実
施形態の分岐予測情報の更新動作（エントリあり）を示
すブロック図である。図５は、本実施形態の分岐予測情
報の更新動作（エントリあり）を示すブロック図であ
る。図６は、本実施形態の分岐予測情報の更新動作（エ
ントリなし）を示すブロック図である。図７は、本実施
形態の分岐予測情報の更新動作（エントリなし）を示す
ブロック図である。図１８は、本実施形態のプログラム
アドレス１の分岐予測過程を示す図である。図１９は、
本実施形態のプログラムアドレス２の分岐予測過程を示
す図である。図２０は、本実施形態の分岐予測アルゴリ
ズムを示す図である。図２１は、本実施形態の分岐予測
合否情報生成手段の入出力データを示す図である。図２
２は、本実施形態の分岐予測情報生成手段の入出力デー
タを示す図である。図２３は、本実施形態のデータ処理
装置を示すブロック図である。図２４は、本実施形態の
分岐予測手段を示すブロック図である。図２５は、本実
施形態の命令フェッチ量制御方法を示す図である。図２
６は、本実施形態の分岐予測情報の読み出し動作を示す
ブロック図である。

【００４８】本実施形態３は、命令を解読する命令解読
手段１と、先読みした命令が分岐命令であるか否かのみ
を先行的に解読する命令先行解読手段６と、命令を先読
みし格納できる命令バッファ手段２と、分岐先アドレス
の命令を先読みし格納する分岐先バッファ手段１５と、
分岐命令のプログラムアドレスに対応づけて分岐先アド
レスと直前の分岐実績と過去の分岐予測合否情報と分岐
予測情報を記憶する分岐予測バッファ７と、前記予測結
果の合否である分岐予測合否情報を生成する分岐予測合
否情報生成手段４と、分岐予測した結果である分岐予測
情報を生成する分岐予測情報生成手段５と、前記分岐予
測情報に基づき前記命令バッファと前記分岐先バッファ
に先読みする命令量を制御するバッファ制御手段８と、
分岐が成立した場合には、分岐先バッファから分岐先命
令を前記命令解読手段１に転送し、不成立の場合には、
命令バッファから次命令を転送する命令選択手段１６を
備えたことを特徴とするデータ処理装置の形態である。

【００４９】（１）図２０に示す実施形態３のアルゴリ
ズムを説明する。分岐予測合否情報は、分岐予測の合否
率を誤りの割合で表現した２ビットの情報とし、初期値
１１であり分岐予測が誤りのときに１デクリメントされ
る。時刻ｔ-1の分岐予測合否情報が００の場合は、時刻
ｔの分岐予測合否情報は１１にセットされる。以上は、
時刻t-1から時刻ｔへの分岐予測合否情報の更新方法に
示されている。ここで、ある時刻ｔとは分岐命令のプロ
グラムアドレスが出現して実際に分岐命令が実行され次
回時刻ｔ+1の分岐予測を行なった時間である。合否は時
刻ｔ-1の分岐予測情報と時刻ｔの分岐実績のEXCLUSIVE-
NORであり時刻ｔに判明する。分岐予測合否情報と分岐
実績からの予測は次のようにする。分岐予測合否情報の
パターンが１０のときは、直前である現時刻ｔの分岐実
績の反転で予測する。たとえば、直前の分岐実績が１
（分岐）であれば非分岐と予測して分岐予測情報を０
に、直前の分岐実績が０（非分岐）であれば分岐と予測
して分岐予測情報を１とする。分岐合否情報のパターン
が１０以外のときは、直前の分岐実績の保持で予測す
る。たとえば、直前の分岐実績が分岐であれば、次も分
岐と予測する。時刻ｔ-1の分岐予測合否情報が００の場
合は、時刻ｔの分岐予測合否情報は１１にセットされ
る。

【００５０】なお、本実施形態では、分岐予測の合否率
を誤りの割合で表現した分岐予測合否情報に対応して
「分岐実績の保持」で予測するか「分岐実績の反転」で
予測するかを図２０のように定めているが、本実施形態
に記載した分岐予測の組合わせ以外も容易に実施でき
る。

【００５１】以上のアルゴリズムに従い、プログラムア
ドレス１とプログラムアドレス２の分岐予測過程がそれ
ぞれ図１８、図１９に示されている。ここで、図１８、
図１９の分岐予測情報は、ある時刻ｔに分岐命令のプロ
グラムアドレスが出現し、分岐実績が判明してから分岐
予測情報の更新が完了したときの値が示してある。ま
た、分岐実績は、ある時刻ｔに分岐命令のプログラムア
ドレスが出現して、実際に分岐したかどうかの記録であ
る。分岐予測合否情報は、ある時刻ｔに分岐命令のプロ
グラムアドレスが出現して、時刻ｔ-1に予測した分岐予
測情報と分岐実績からその合否が判明して更新された分
岐予測合否情報の値である。ここで、合否は時刻ｔ-1の
分岐予測情報と時刻ｔの分岐実績から、時刻ｔに判明す
るものである。

【００５２】プログラムアドレス１の分岐命令の予測過
程を説明する。プログラムアドレス１がはじめて検出さ
れたとき（ｔ＝１）には、分岐予測合否情報は１１にセ
ットされ、分岐予測合否情報は分岐実績が分岐であった
ので分岐実績の保持である分岐となる。次に、プログラ
ムアドレス１が２回目に検出されたとき（ｔ＝２）は分
岐と予測される。その分岐実績が実際は非分岐であった
ので、ｔ＝２の分岐実績に０が格納される。また、ｔ＝
２の分岐予測合否情報は分岐予測情報と分岐実績に基づ
き１１から１０に更新される。この分岐予測合否情報に
より３回目の分岐予測情報は、２回目の分岐実績の反転
である分岐になる。従って、プログラムアドレス１が３
回目に検出されたとき（ｔ＝３）は分岐と予測される。
その分岐実績が分岐であったので、ｔ＝３の分岐実績に
０が格納される。また、ｔ＝３の分岐予測合否情報は分
岐予測情報と分岐実績に基づき１０のままである。この
分岐予測合否情報により４回目の分岐予測情報は、３回
目の分岐実績の反転である非分岐になる。従って、プロ
グラムアドレス１が４回目に検出されたとき（ｔ＝４）
は非分岐と予測される。以降、同様に分岐実績と分岐予
測合否情報と分岐予測情報が更新される。

【００５３】プログラムアドレス２の分岐命令の予測過
程を説明する。プログラムアドレス１がはじめて検出さ
れたとき（ｔ＝１）には、分岐予測合否情報は１１にセ
ットされ、分岐予測合否情報は分岐実績が分岐であった
ので分岐実績の保持である分岐となる。次に、プログラ
ムアドレス２が２回目に検出されたとき（ｔ＝２）は分
岐と予測される。その分岐実績が実際は分岐であったの
で、ｔ＝２の分岐実績に１が格納される。また、ｔ＝２
の分岐予測合否情報は分岐予測情報と分岐実績に基づき
１１のままである。この分岐予測合否情報により３回目
の分岐予測情報は、２回目の分岐実績の保持である分岐
になる。従って、プログラムアドレス２が３回目に検出
されたとき（ｔ＝３）は分岐と予測される。その分岐実
績が分岐であったので、ｔ＝３の分岐実績に１が格納さ
れる。また、ｔ＝３の分岐予測合否情報は分岐予測情報
と分岐実績に基づき１１のままである。この分岐予測合
否情報により４回目の分岐予測情報は、３回目の分岐実
績の保持である分岐になる。従って、プログラムアドレ
ス２が４回目に検出されたとき（ｔ＝４）は分岐と予測
される。以下同様にして、プログラムアドレス２が７回
目に検出されたとき（ｔ＝７）は分岐と予測される。そ
の分岐実績が非分岐であったので、ｔ＝７の分岐実績に
０が格納される。また、ｔ＝７の分岐予測合否情報は分
岐予測情報と分岐実績に基づき１０に更新される。この
分岐予測合否情報により８回目の分岐予測情報は、７回
目の分岐実績の反転である分岐になる。従って、プログ
ラムアドレス２が８回目に検出されたとき（ｔ＝８）は
分岐と予測される。その分岐実績が分岐であったので、
ｔ＝８の分岐実績に１が格納される。また、ｔ＝８の分
岐予測合否情報は分岐予測情報と分岐実績に基づき１０
が保持される。この分岐予測合否情報により９回目の分
岐予測情報は、８回目の分岐実績の反転である非分岐に
なる。従って、プログラムアドレス２が９回目に検出さ
れたとき（ｔ＝９）は非分岐と予測される。その分岐実
績が分岐であったので、ｔ＝９の分岐実績に１が格納さ
れる。また、ｔ＝９の分岐予測合否情報は分岐予測情報
と分岐実績に基づき０１に更新される。この分岐予測合
否情報により１０回目の分岐予測情報は、９回目の分岐
実績の保持である分岐になる。従って、プログラムアド
レス２が１０回目に検出されたとき（ｔ＝１０）は分岐
と予測される。

【００５４】その分岐実績が分岐であったので、ｔ＝１
０の分岐実績に１が格納される。また、ｔ＝１０の分岐
予測合否情報は分岐予測情報と分岐実績に基づき０１が
保持される。この分岐予測合否情報により１１回目の分
岐予測情報は、１０回目の分岐実績の保持である分岐に
なる。従って、プログラムアドレス２が１１回目に検出
されたとき（ｔ＝１１）は分岐と予測される。以降、同
様に分岐実績と分岐予測合否情報と分岐予測情報が更新
される。

【００５５】以上のように、本実施形態３は、分岐が前
記記録及び過去数回の分岐予測が的中したか否かを誤り
の割合で表現した合否率に基づいて、前記過去最も新し
い条件分岐の実績の保持か反転で分岐が発生するか否か
を予測するものである。

【００５６】（２）図２３は第３実施形態におけるデー
タ処理装置のブロック図である。図１と同一部分には同
一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分のみ説明
する。バッファ制御手段８から出力される分岐先バッフ
ァ制御信号が分岐先バッファ手段１５に接続されてい
る。命令選択手段１６に命令バッファ手段２と分岐先バ
ッファ手段１５からそれぞれ命令バッファ出力バスと分
岐先バッファ出力バスが接続されている。セレクタＡ１
７が出力する命令フェッチバスが命令解読手段１に接続
されている。命令解読手段１が出力するカウンタ制御信
号は、カウンタ制御手段１４に接続されている。分岐予
測手段３が出力する命令フェッチ量制御信号は、カウン
タ制御手段１４に接続されている。命令記憶手段９の出
力である命令プリフェッチバスは、命令バッファ手段２
と分岐先バッファ手段１５と命令解読手段１にそれぞれ
接続されている。命令プリフェッチバスと命令選択手段
１６が出力する選択命令バスは、セレクタＡ１７に接続
され、命令解読手段１が出力するセレクト信号により、
いずれかがセレクトされる。命令解読手段１が出力する
命令選択信号は命令選択手段１６に接続されている。分
岐予測手段３が出力する命令フェッチ量制御信号は、カ
ウンタ制御手段１４に接続されている。

【００５７】図２４は本実施形態の分岐予測手段を示す
図である。図２と同一部分には同一符号を付して説明を
省略する。図２４に示すように、分岐予測バッファ７は
４つのエントリをもち、各エントリに分岐命令のプログ
ラムアドレス、分岐先アドレス、分岐実績、分岐予測合
否情報、分岐予測情報を格納する。分岐予測情報生成手
段５は図２２に示す分岐予測情報を生成する。分岐予測
合否情報生成手段４は図２１に示す２ビットの分岐予測
合否情報を生成する。分岐予測情報生成手段５が出力す
る新たな分岐予測情報は分岐予測バッファ７に接続され
る。分岐予測合否情報生成手段４が出力する新たな分岐
予測合否情報信号は、分岐予測バッファ７に接続されて
いる。分岐実績と分岐予測情報のEXCLUSIVE-NOR出力で
ある合否と分岐予測合否情報は、分岐予測合否情報生成
手段４に接続される。分岐実績と分岐予測合否情報生成
手段４の出力である分岐予測合否情報は、分岐予測情報
生成手段５に接続される。分岐予測バッファ７からの出
力である分岐予測合否情報は、分岐予測制御回路１８に
も接続されている。つまり、分岐予測制御回路１８に
は、分岐命令検出信号と分岐予測更新信号と分岐予測合
否情報と分岐予測情報と一致信号が入力され、バッファ
制御信号と命令フェッチ量制御信号と分岐予測開始信号
とインクリメント信号が出力される。なお、本実施形態
では、分岐予測バッファ７にエントリできる数を４とし
たが、その数はデータ処理装置のハードウェアにかかる
コストと性能のトレードオフに応じて自由に設定でき
る。

【００５８】本実施形態のデータ処理装置は、命令フェ
ッチ（IF）ステージ、命令解読（DEC）ステージ、命令
実行（EX）ステージからなる３段のパイプラインでデー
タ処理をするものである。まず、そのパイプライン処理
について図２３を参照して説明する。命令バッファに
は、いくつかの命令を先読みしておき、そのプリフェッ
チされた命令は、プリフェッチ命令バスで命令先行解読
手段６にも転送された後、分岐命令か否かが検出され
る。命令フェッチステージ（IF）では、あらかじめ命令
バッファ手段２か分岐先バッファ手段１５にプリフェッ
チされている命令を、命令解読手段１が出力する命令選
択信号により命令選択手段１６が選択して命令フェッチ
バスを介して命令解読手段１に転送する。命令解読ステ
ージ（DEC）では、命令を解読し生成された命令実行制
御信号を命令実行手段１２に出力する。また、条件分岐
命令が分岐するかの判定がなされる。条件分岐命令が分
岐した場合には、命令解読手段１から出力される命令選
択信号がイネーブルになり、命令選択手段１６に出力さ
れる。このとき、命令選択手段１６により分岐先バッフ
ァから次に解読される命令が選択されてる。反対に分岐
しなかった場合には、命令解読手段１から出力される命
令選択信号がディスエーブルになり、命令バッファから
次に解読される命令が選択される。命令実行ステージ
（EX）では、命令実行制御信号により命令実行手段１２
が命令を実行する。

【００５９】本実施形態３のデータ処理装置の分岐ハザ
ード要因として、分岐予測バッファ７に命令先行解読手
段６により検出された分岐命令のプログラムアドレスが
エントリされていない場合は、分岐命令が分岐するとき
に分岐先の命令をフェッチするために解読ステージ相当
のハザードが生じるものとする。このハザードの要因と
なってしまう命令の解読結果は無効にされると同時に、
セレクタ信号によりセレクタＡ１７は、その次に解読さ
れる命令を命令記憶手段９から命令プリフェッチバスを
介して、命令解読手段１に転送する。

【００６０】次に、本実施形態の作用を図２３、図２
４、図２５、図２６を参照して説明する。まず、命令先
行解読手段６が分岐命令を検出したときの動作を説明す
る。分岐命令検出信号がイネーブルになり分岐予測手段
３に出力される。この分岐命令のプログラムアドレスが
プログラムアドレス生成手段１０を通じて分岐予測手段
３に転送される。セレクタＢ１９は、このプログラムア
ドレスを分岐予測バッファ７に転送する。図２６に示す
連想メモリである分岐予測バッファ７からの読み出し動
作では、タグであるプログラムアドレスが入力され、並
列処理で同一プログラムアドレスが格納されているエン
トリが探索される。もし、ヒットしたら図２６に示すよ
うに、分岐先アドレス、分岐予測情報、分岐予測の確か
らしさの度合いを示す分岐予測合否情報が読み出され
る。もし、分岐予測バッファ７に分岐命令のプログラム
アドレスがエントリされていない場合には、分岐予測は
行われない。

【００６１】ヒットした場合、一致信号と分岐予測情報
と分岐予測合否情報が分岐予測制御回路１８に出力され
る。分岐命令検出信号がイネーブルのとき、分岐予測制
御回路１８は、入力された分岐予測情報と分岐予測合否
情報からバッファ制御信号と命令フェッチ量制御信号を
出力する。カウンタ制御手段１４は、分岐予測制御回路
１８から出力された命令フェッチ量制御信号により、カ
ウンタ制御手段出力信号を生成する。プログラムカウン
タ１３は、カウンタ制御手段出力信号により、命令プリ
フェッチアドレスを生成し、命令記憶手段９から読み出
す命令アドレスが決まる。バッファ制御手段８は、分岐
予測制御回路１８から出力されたバッファ制御信号によ
り、命令記憶手段９からプリフェッチ命令バスに読み出
された命令を命令バッファ手段２か分岐先バッファ手段
１５に格納する。

【００６２】ここで、第３の実施形態の命令フェッチ量
制御方法を図２５に示す。分岐予測制御回路１８により
生成される命令フェッチ量制御信号とバッファ制御信号
により、カウンタ制御手段１４とバッファ制御手段８は
分岐予測合否情報と直前の分岐実績から分岐先バッファ
手段１５と命令バッファ手段２に先読みする命令フェッ
チ量を制御する。この命令量を制御する段階とは、「直
前の分岐実績が分岐かつ分岐実績の保持で予測」、「直
前の分岐実績が非分岐かつ分岐実績の反転で予測」、
「直前の分岐実績が分岐かつ分岐実績の反転で予測」、
「直前の分岐実績が非分岐かつ分岐実績の保持で予測」
の４段階であり、分岐予測の確からしさは順に、「高い
確率で分岐成立」、「低い確率で分岐成立」、「低い確
率で分岐不成立」、「高い確率で分岐不成立」とする。
例えば、直前の分岐実績が非分岐であり、分岐実績の保
持で予測している場合には、非分岐先の命令フェッチ量
を極めて多く、分岐先の命令フェッチ量を極めて少なく
する。また、直前の分岐実績が分岐であり、分岐実績の
反転で予測している場合には、非分岐先の命令フェッチ
量を多く、分岐先の命令フェッチ量を少なくする。この
ように、分岐実績の反転で予測する方が分岐予測を誤る
可能性が高いものとして段階的に設定される。

【００６３】まず、分岐すると予測している場合の作用
について説明する。本実施形態で分岐すると予測するの
は、分岐予測合否情報が１０以外で、かつ分岐予測情報
が１（分岐）のとき、つまり「直前の分岐実績が分岐か
つ分岐実績の保持で予測」する場合か、分岐予測合否情
報が１０であり、かつ分岐予測情報が１のとき、つまり
「直前の分岐実績が非分岐かつ分岐実績の反転で予測」
する場合の２通りである。前者の方が分岐予測の確から
しさが高いとする。ここで、命令フェッチ量制御信号
は、３ビットからなる信号であって、MSBの１ビットが
分岐（１）か非分岐（０）かを表し、残り２ビットが４
段階の命令フェッチ量を表すものとする。たとえば、１
１１ならば分岐先の命令を極めて多くフェッチすること
を表し、０１０ならば非分岐先の命令を少ない量フェッ
チすることを表す。

【００６４】まず、分岐命令検出信号がイネーブルにな
り分岐予測情報と分岐予測合否情報と分岐先アドレスが
読み出される。分岐予測制御回路１８は、分岐予測情報
と分岐予測合否情報から、あらかじめ非分岐先の命令を
段階的に設定された量だけ命令記憶手段９から命令バッ
ファ手段２にプリフェッチするために、命令フェッチ量
制御信号およびバッファ制御信号を出力する。命令フェ
ッチ量制御信号は、「直前の分岐実績が分岐かつ分岐実
績の保持で予測」のとき０００に、「直前の分岐実績が
非分岐かつ分岐実績の反転で予測」のとき００１にな
る。この命令フェッチ量制御信号がカウンタ制御手段１
４に出力されると、カウンタ制御手段１４は、カウンタ
制御手段出力信号を出力して、プログラムカウンタ１３
のフェッチ命令カウンタを操作し、非分岐先の連続する
命令が命令プリフェッチアドレスとして出力される。ま
た、分岐予測手段３の出力するバッファ制御信号は、バ
ッファ制御手段８に対して、命令バッファ手段２へのプ
リフェッチを指示する。バッファ制御信号がディスエー
ブルの場合は、バッファ制御手段８は命令バッファ制御
信号と分岐先バッファ制御信号により命令バッファ手段
２に命令をプリフェッチする。

【００６５】非分岐先のプリフェッチが完了すると、分
岐予測制御回路１８は、分岐先の命令を命令記憶手段９
から分岐先バッファ手段１５にプリフェッチするため
に、命令フェッチ量制御信号およびバッファ制御信号を
出力する。命令フェッチ量制御信号は、「直前の分岐実
績が分岐かつ分岐実績の保持で予測」のとき１１１に、
「直前の分岐実績が非分岐かつ分岐実績の反転で予測」
のとき１１０になる。この命令フェッチ量制御信号がカ
ウンタ制御手段１４に出力されると、カウンタ制御手段
１４は、カウンタ制御手段出力信号を出力して、プログ
ラムカウンタ１３のフェッチ命令カウンタのカウントを
停止すると同時に、分岐先アドレスのセットされた分岐
先命令アドレスカウンタがカウントを開始する。これに
より、分岐先の連続する命令が命令プリフェッチアドレ
スとして出力されると同時に、分岐予測手段３から出力
されるバッファ制御信号は、バッファ制御手段８に対し
て、分岐先バッファ手段１５へのプリフェッチを指示す
る。バッファ制御信号がイネーブルの場合は、バッファ
制御手段８は命令バッファ制御信号と分岐先バッファ制
御信号により分岐先バッファ手段１５に命令をプリフェ
ッチする。

【００６６】このように分岐すると予測しても、あらか
じめ定められた量だけ命令バッファと分岐先バッファに
命令ストリームをプリフェッチしておくが、その量は
「分岐実績の保持」で予測する方が「分岐実績の反転」
で予測するよりも分岐予測を正解する可能性が高いもの
として段階的に設定される。

【００６７】プリフェッチが完了した後、分岐命令が命
令解読手段１により解読された結果、分岐したとする。
このとき、命令解読手段１より命令選択信号が出力さ
れ、命令選択手段１６は分岐命令に続いて命令解読手段
１に投入すべき命令を分岐先バッファから選択する。反
対に、分岐命令が命令解読手段１により解読された結
果、分岐しなかったとする。このとき、命令選択手段１
６は分岐命令に続いて命令解読手段１に投入すべき命令
を、プリフェッチしておいた命令バッファから選択す
る。また、命令解読手段１が出力するカウンタ制御信号
により、カウンタ制御手段１４は、分岐先アドレスカウ
ンタのカウンタを停止して、命令アドレスカウンタのカ
ウンタを再開させる。このように、命令選択手段１６
は、あらかじめ命令バッファ手段２と分岐先バッファ手
段１５にプリフェッチしておいた命令を、分岐か非分岐
かが判明した時点で選択し、次に解読する命令とする。

【００６８】次に、分岐しないと予測している場合の作
用について説明する。本実施形態で分岐しないと予測す
るのは、分岐予測合否情報が１０以外で、かつ分岐予測
情報が０（非分岐）のとき、つまり「直前の分岐実績が
非分岐かつ分岐実績の保持で予測」する場合か、分岐予
測合否情報が１０であり、かつ分岐予測情報が０のと
き、つまり「直前の分岐実績が分岐かつ分岐実績の反転
で予測」する場合の２通りである。前者の方が分岐予測
の確からしさが高いとする。

【００６９】まず、分岐命令検出信号がイネーブルにな
り分岐予測情報と分岐予測合否情報と分岐先アドレスが
読み出される。分岐予測制御回路１８は、分岐予測情報
と分岐予測合否情報から、あらかじめ分岐先の命令を段
階的に設定された量だけ命令記憶手段９から分岐先バッ
ファ手段１５にプリフェッチするために、命令フェッチ
量制御信号およびバッファ制御信号を出力する。命令フ
ェッチ量制御信号は、「直前の分岐実績が非分岐かつ分
岐実績の保持で予測」のとき１００に、「直前の分岐実
績が分岐かつ分岐実績の反転で予測」のとき１０１にな
る。この命令フェッチ量制御信号がカウンタ制御手段１
４に出力されると、カウンタ制御手段１４は、カウンタ
制御手段出力信号を出力して、プログラムカウンタ１３
のフェッチ命令カウンタのカウントを停止すると同時
に、分岐先アドレスのセットされた分岐先命令アドレス
カウンタがカウントを開始する。これにより、分岐先の
連続する命令が命令プリフェッチアドレスとして出力さ
れると同時に、分岐予測手段３から出力されるバッファ
制御信号は、バッファ制御手段８に対して、分岐先バッ
ファ手段１５へのプリフェッチを指示する。バッファ制
御信号がイネーブルの場合は、バッファ制御手段８は命
令バッファ制御信号と分岐先バッファ制御信号により分
岐先バッファ手段１５に命令をプリフェッチする。

【００７０】分岐先のプリフェッチが完了すると、分岐
予測制御回路１８は、非分岐先の命令を命令記憶手段９
から命令バッファ手段２にプリフェッチするために、命
令フェッチ量制御信号およびバッファ制御信号を出力す
る。命令フェッチ量制御信号は、「直前の分岐実績が非
分岐かつ分岐実績の保持で予測」のとき０１１に、「直
前の分岐実績が分岐かつ分岐実績の反転で予測」のとき
０１０になる。この命令フェッチ量制御信号がカウンタ
制御手段１４に出力されると、カウンタ制御手段１４
は、カウンタ制御手段出力信号を出力して、プログラム
カウンタ１３の分岐先命令アドレスカウンタがカウント
を停止し、フェッチ命令カウンタのカウントを再開し
て、非分岐先の連続する命令が命令プリフェッチアドレ
スとして出力される。また、分岐予測手段３の出力する
バッファ制御信号は、バッファ制御手段８に対して、命
令バッファ手段２へのプリフェッチを指示する。バッフ
ァ制御信号がディスエーブルの場合は、バッファ制御手
段８は命令バッファ制御信号と分岐先バッファ制御信号
により命令バッファ手段２に命令をプリフェッチする。

【００７１】このように分岐しないと予測しても、あら
かじめ定められた量だけ命令バッファと分岐先バッファ
に命令ストリームをプリフェッチしておくが、その量は
「分岐実績の保持」で予測する方が「分岐実績の反転」
で予測するよりも分岐予測を正解する可能性が高いもの
として段階的に設定される。

【００７２】プリフェッチが完了した後、分岐命令が命
令解読手段１により解読された結果、分岐したとする。
このとき、命令解読手段１より命令選択信号が出力さ
れ、命令選択手段１６は分岐命令に続いて命令解読手段
１に投入すべき命令を分岐先バッファから選択すると共
に、命令解読手段１が出力するカウンタ制御信号によ
り、カウンタ制御手段１４は、フェッチ命令カウンタの
カウンタを停止して、分岐先命令アドレスカウンタのカ
ウンタを再開させる。反対に、分岐命令が命令解読手段
１により解読された結果、分岐しなかったとする。この
とき、命令選択手段１６は分岐命令に続いて命令解読手
段１に投入すべき命令を、プリフェッチしておいた命令
バッファから選択する。このように、命令選択手段１６
は、あらかじめ命令バッファ手段２と分岐先バッファ手
段１５にプリフェッチしておいた命令を、分岐か非分岐
かが判明した時点で選択し、次に解読する命令とする。

【００７３】次に、分岐予測情報の更新動作を順を追っ
て図４、図５で説明する。また、本実施形態の分岐予測
合否情報生成手段４を図２１に、分岐予測情報生成手段
５を図２２にそれぞれ示す。

【００７４】図４に示すように、分岐命令が命令実行手
段１２により実行されると命令解読手段１より分岐予測
更新信号がイネーブルになり分岐予測手段３に出力され
る。すると分岐命令検出信号がディスエーブルのとき、
セレクタＢ１９は実行した分岐命令の実行命令アドレス
を選択して、分岐予測バッファ７に出力する。この実行
命令アドレスをタグとして探索しヒットすると分岐予測
バッファ７は一致信号を出力する。このとき、エントリ
１がヒットしたとする。命令実行手段１２より出力され
る分岐先アドレスと命令実行手段１２より出力される分
岐実績が分岐予測バッファ７の対応するエントリ１に格
納される。

【００７５】図４に示す処理が完了した後、図５に示す
ように分岐予測制御回路１８より分岐予測開始信号が分
岐予測合否情報生成手段４と分岐予測情報生成手段５に
出力される。分岐予測合否情報生成手段４は分岐予測バ
ッファのエントリに格納された分岐予測合否情報と今回
の合否から図２１に示すように分岐予測合否情報を更新
する。ここで合否とは、分岐実績と分岐予測情報のEXCL
USIVE-NORで表される情報であり、予測が正しかったと
きに１を予測が誤りのときに０になる。本実施形態で
は、分岐予測合否情報は２ビットからなる情報であり、
初期値は１１である。分岐予測合否情報生成手段４は、
読み出した分岐予測合否情報に合否を加える。合否が１
ならば読み出した分岐予測合否情報は更新されず、合否
が０ならばデクリメントされるが、読み出した分岐予測
合否情報が００で合否が０ならば１１にする。その後、
分岐予測情報生成手段５は今回の合否により更新された
分岐予測合否情報と分岐実績から、図２２に示すように
新たな分岐予測情報を生成し、対応するエントリに格納
して分岐予測情報の更新動作が完了する。

【００７６】次に、分岐予測バッファ７に対応するプロ
グラムアドレスがエントリされていない場合を図６、図
７により示す。まず図６であるが、このとき、分岐予測
更新信号はイネーブルになり、分岐予測バッファ７の一
致信号はディスエーブルになる。すると、エントリレジ
スタ２０がエントリ番号をエントリバスを介して分岐予
測バッファ７に出力する。なお、このエントリレジスタ
２０は、データ処理装置のリセット時に００にされるも
のとし、新しく分岐命令が出現した時にエントリする番
号を２ビットで保持するレジスタであり、一致信号がイ
ネーブルのときは使用されない。分岐予測バッファ７へ
の書き込み動作は、分岐予測更新信号がイネーブルかつ
一致信号がディスエーブルのときエントリ番号が示すエ
ントリとなる。実行命令アドレスがセレクタＢ１９で選
択されて分岐予測バッファ７に出力されると、対応する
エントリのプログラムアドレスに格納される。また、命
令実行手段１２は分岐実績を、命令実行手段１２は分岐
先アドレスをそれぞれ対応するエントリに格納する。こ
こで、エントリレジスタ２０が００ならエントリ０、０
１ならエントリ１、１０ならエントリ２、１１ならエン
トリ３に対応する。

【００７７】図６に示す処理が完了した後、図７に示す
ように分岐予測制御回路１８より分岐予測開始信号が分
岐予測合否情報生成手段４と分岐予測情報生成手段５に
出力される。分岐予測合否情報生成手段４は、入力され
た一致信号がディスエーブルならば初期設定値である１
１を生成する。その後、分岐予測情報生成手段５は今回
の合否により更新された分岐予測合否情報と分岐実績を
入力データとし、分岐予測情報を出力する。分岐予測合
否情報生成手段４と分岐予測情報生成手段５により更新
された分岐予測合否情報と分岐予測情報は対応するエン
トリに格納されて、分岐予測情報の更新動作が完了する
と、分岐予測制御回路１８からインクリメント信号が出
力される。インクリメントされた２ビットのデータがイ
ンクリメンタ２１から出力されエントリレジスタ２０に
格納される。このインクリメンタ２１の値は、データ処
理装置のリセット時に００にされる。また、１１からの
インクリメントは００になるものとし、したがって、エ
ントリレジスタ２０のとる値は４通りである。上記のよ
うに、分岐予測バッファ７に対応するプログラムアドレ
スがエントリされていない場合にも更新動作が行われ
る。

【００７８】（３）以上のように、本実施形態３は、過
去の分岐予測の合否率を誤りの割合で表した情報に基づ
いて過去最も新しい条件分岐の実績の保持か反転で分岐
が発生するか否かを予測した結果が示すとおり、成立と
不成立を交互に繰り返すパターンやループ処理において
高い的中率が得られる。さらに、分岐の成立、不成立を
分岐予測の確からしさの度合いである「高い確率で分岐
成立」、「低い確率で分岐成立」、「低い確率で分岐不
成立」、「高い確率で分岐不成立」の４段階で先読みす
る命令量を変えるようにしたので、分岐か非分岐かの分
岐予測の確からしさに応じて分岐先バッファと命令バッ
ファにプリフェッチされる命令量が段階的に制御され、
実際に分岐か非分岐かが判明した時点で、それらバッフ
ァから選択されるので、分岐によるバブルの発生頻度が
軽減される。

【００７９】（実施の形態４）以下本発明の第４実施形
態について、図１、図１５、図２７、図２８、図２９を
参照して説明する。ここで、図１は、本実施形態のデー
タ処理装置を示すブロック図である。図１５は、本実施
形態の分岐予測アルゴリズムを示す図である。図２７
は、本実施形態の分岐予測手段を示すブロック図であ
る。図２８、図２９は、本実施形態の分岐予測情報の更
新動作（エントリなし）を示すブロック図である。

【００８０】図２７は、本実施形態の分岐予測手段を示
すブロック図であり、図２と同一部分には同一符号を付
して説明を省略する。２ビットの情報を転送できるエン
トリバスが分岐予測バッファ７とエントリレジスタ２０
と分岐予測制御回路１８に接続されている。分岐予測制
御回路１８から出力されるエントリ選択要求信号が分岐
予測バッファ７に接続されている。分岐予測バッファ７
の出力であるセット信号がエントリレジスタ２０と分岐
予測制御回路１８に接続されている。インクリメンタ２
１からの２ビットのデータがエントリレジスタ２０に接
続されている。インクリメンタ２１からのキャリー信号
がエントリレジスタ２０に接続されている。なお、本実
施形態では、分岐予測バッファ７にエントリできる数を
４としたが、その数はデータ処理装置のハードウェアに
かかるコストと性能のトレードオフに応じて自由に設定
できる。

【００８１】図２８、図２９は、本実施形態における分
岐予測情報の更新動作（エントリなし）を示すブロック
図であり、図６、図７と同一部分の説明は省略する。ま
た、本実施形態の分岐予測方法は前記実施の形態２で説
明した方法とし、ここでは説明を省略する。本実施形態
におけるデータ処理装置は、すべてのエントリが各々の
分岐命令で埋っており、かつ命令予測バッファ７に対応
するプログラムアドレスがエントリされていない場合
に、分岐予測合否情報を分岐予測バッファ７にエントリ
する分岐命令の選択要因とする。

【００８２】本実施形態の分岐予測情報の更新動作につ
いて説明する。まず、命令解読手段１より出力される分
岐予測更新信号がイネーブルになる。命令予測バッファ
７に対応するプログラムアドレスがエントリされている
場合については、図６、図７と同一動作をするものとし
説明を省略し、ここでは、命令予測バッファ７に対応す
るプログラムアドレスがエントリされていない場合を説
明する。このとき、分岐予測バッファ７の一致信号はデ
ィスエーブルになる。ここで、図２７に示すエントリレ
ジスタ２０は、データ処理装置のリセット時に０００に
初期化される３ビットのレジスタであり、一致信号がイ
ネーブルになりヒットしたときには使用されない。下位
２ビットが分岐予測バッファ７にエントリするときのエ
ントリ番号を示す。００ならエントリ０、０１ならエン
トリ１、１０ならエントリ２、１１ならエントリ３に対
応する。ＭＳＢの１ビットは、１ならば分岐予測バッフ
ァ７の４つのエントリすべてが、すでに出現した分岐命
令で埋ったことを表しており、０ならばまだ未使用のエ
ントリが存在することを表している。

【００８３】ＭＳＢの１ビットが０のときは、次のよう
にエントリレジスタが示すエントリ番号に新たな分岐命
令をエントリする。エントリレジスタ２０の下位２ビッ
トで表されるエントリ番号が分岐予測バッファ７にエン
トリバスを介して出力される。分岐予測制御回路１８か
ら出力されるエントリ選択要求信号はディスエーブルに
なる。分岐予測更新信号がイネーブルかつ一致信号がデ
ィスエーブルかつエントリ選択要求信号がディスエーブ
ルになり、分岐予測バッファ７への書き込み動作は、エ
ントリレジスタ２０の下位２ビットのエントリに対して
行われる。

【００８４】一方、ＭＳＢの１ビットが１のときは、図
２７に示す分岐予測手段３は、分岐予測バッファ７に格
納されている分岐予測合否情報を分岐予測バッファ７に
エントリする分岐命令の選択要因とするように動作す
る。まず、分岐予測制御回路１８は、図２８に示すよう
にエントリ選択要求信号をイネーブルとし、分岐予測バ
ッファ７に出力する。このとき、分岐予測バッファ７
は、分岐予測合否情報００をタグとして番号の少ないエ
ントリから順番に並列探索する。探索が完了するまで
は、分岐予測バッファ手段７が出力するセット信号はデ
ィスエーブルである。探索が完了すると、図２９に示す
ように、分岐予測合否情報が００であるひとつのエント
リ番号に対応した０１をエントリバスを介してエントリ
レジスタ２０に出力するとともに、セット信号をイネー
ブルにする。セット信号がイネーブルになると、エント
リレジスタ２０は、その下位２ビットにエントリ番号に
対応した値０１を格納した後、分岐予測制御回路１８
は、エントリ選択要求信号をディスエーブルにする。図
２９に示すように、ここでは０１がエントリバスに出力
され、エントリレジスタ２０の下位２ビットにはが００
から０１に書き換えられエントリレジスタ２０には、最
終的に１０１が格納される。上記のように、一致信号が
ディスエーブルでエントリレジスタのＭＳＢが１の場合
に、分岐予測バッファ７からエントリバスを介してエン
トリ番号が決定された後、エントリ選択要求信号がディ
スエーブルになる。なお、探索実行時に、分岐予測合否
情報の値が００のエントリがなければ、００のエントリ
番号がエントリバスに出力される。

【００８５】エントリ番号が決定されると、分岐予測更
新信号がイネーブルかつ一致信号がディスエーブルかつ
エントリ選択要求信号がディスエーブルになり、分岐予
測バッファ７への書き込み動作は、エントリレジスタ２
０の下位２ビットのエントリに対して行われる。実行命
令アドレスがセレクタＢ１９で選択されて分岐予測バッ
ファ７に出力されると、対応するエントリ１のプログラ
ムアドレスに格納される。また、命令実行手段１２は分
岐実績を、命令実行手段１２は分岐先アドレスをそれぞ
れ対応するエントリ１に格納する。

【００８６】図２８に示す処理が完了した後、図２７に
示す分岐予測制御回路１８より分岐予測開始信号が分岐
予測合否情報生成手段４と分岐予測情報生成手段５に出
力される。分岐予測合否情報生成手段４は、入力された
一致信号がディスエーブルならば初期設定値である１１
を生成する。その後、分岐予測情報生成手段５は今回の
合否により更新された分岐予測合否情報と分岐実績を入
力データとし、分岐予測情報を出力する。分岐予測合否
情報生成手段４と分岐予測情報生成手段５により更新さ
れた分岐予測合否情報と分岐予測情報は対応するエント
リに格納されて、分岐予測情報の更新動作が完了する
と、分岐予測制御回路１８からインクリメント信号が出
力されてエントリレジスタ２０の値がインクリメントさ
れる。図２７に示したインクリメンタ２１は、データ処
理装置のリセット時に００に初期化される。インクリメ
ントした２ビットのデータがエントリレジスタ２０に格
納される。１１からのインクリメントが実行されると、
インクリメンタ２１のレジスタは００になると共に、キ
ャリー信号がイネーブルになる。インクリメンタ２１か
らのキャリー信号がエントリレジスタ２０に一度でも出
力されると、エントリレジスタ２０のＭＳＢは０から１
にセットされ、以降１から変化しない。したがって、エ
ントリレジスタ２０にキャリー信号が出力されると、次
回以降の分岐予測情報の更新動作時にヒットするエント
リがなければ分岐予測制御回路１８のエントリ選択要求
信号がイネーブルとなり、分岐予測合否情報が００であ
るエントリを更新の対象とするよう分岐予測手段３は動
作することになる。

【００８７】なお、本実施形態では、エントリ選択要求
信号がイネーブルになり、分岐予測合否情報による探索
がなされ分岐予測合否情報が００であるプログラムアド
レスがなければエントリ０と交換するとしたが、この場
合、交換しないとしても良いし、分岐予測合否情報が０
１であるエントリと交換するようにしても良い。

【００８８】以上のように、本実施形態４は、用意され
たエントリすべてが使われているときに、分岐予測バッ
ファ７に新たにエントリする分岐命令を、分岐予測の確
からしさの低いプログラムアドレスと入れ替えるように
したので、より分岐予測の確からしさの優るエントリを
分岐予測バッファ７に保存することができるようにな
り、分岐予測バッファの限られたエントリを有効に使用
して精度の高い分岐予測が可能なデータ処理装置が構成
できる。

【００８９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の分岐予測方法によれば、データ処理装置によって実行
される各条件分岐命令に対して過去最も新しい条件分岐
の実績と分岐が前記記録及び過去数回の分岐予測が的中
したか否かの合否履歴に基づいて、分岐が発生するか否
かを予測するようにしたので、精度良く分岐予測が行え
るという効果がある。

【００９０】また、本発明の分岐予測方法によれば、デ
ータ処理装置によって実行される各条件分岐命令に対し
て過去最も新しい条件分岐の実績と分岐が前記記録及び
過去数回の分岐予測が的中したか否かの合否率に基づい
て、分岐が発生するか否かを予測するようにしたので、
精度良く分岐予測が行えるという効果がある。

【００９１】さらに、従来例に示した過去数回の分岐履
歴を基に分岐を予測する方法が、分岐命令の過去数回の
履歴のパターンそれぞれに対応して分岐が生じる確率を
表した２ビットの情報から成る分岐予測情報を記憶した
エントリが必要であり、連想記憶するデータ量と対応す
るパターンの検索と、分岐が生じる確率を更新するため
にかかるハードウェアにより、データ処理装置が大規模
化するという問題があったのに対して、ある分岐命令の
プログラムアドレスにつき直前の分岐実績と分岐予測の
合否記録と分岐予測情報のみを分岐予測バッファのエン
トリとすることでデータ処理装置を低コストで構成する
ことができる。

【００９２】さらに、本発明の分岐予測方法およびデー
タ処理装置によれば、分岐の成立、不成立を分岐予測の
確からしさと共に予測して、その確からしさの度合いに
基づいて先読みする命令量を変えるようにしたので、分
岐か非分岐かの可能性に応じて分岐先バッファと命令バ
ッファに命令がプリフェッチされて分岐によるペナルテ
ィを回避できる。その結果、分岐予測そのものがもたら
す効果に加えて、プログラム中の分岐命令によってパイ
プライン処理によるデータ処理装置の性能が低下するこ
とを抑制できる。

【００９３】さらに、本発明の分岐予測方法およびデー
タ処理装置によれば、分岐予測の確からしさの度合いに
基づいて、プログラムで出現する分岐命令の中から分岐
予測する分岐命令群を構成するようにしたので、より分
岐予測の確からしさの優るエントリが分岐予測バッファ
に保存され、その結果、実行する分岐予測の精度が向上
するのでパイプライン処理によるデータ処理装置の性能
が低下することを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１、２、４の実施形態のデータ処理
装置を示すブロック図

【図２】本発明の第１、２の実施形態の分岐予測手段を
示すブロック図

【図３】本発明の第１、２の実施形態の分岐予測情報の
読み出し動作を示すブロック図

【図４】本発明の第１、２、３の実施形態の分岐予測情
報の更新動作（エントリあり）を示すブロック図

【図５】本発明の第１、２、３の実施形態の分岐予測情
報の更新動作（エントリあり）を示すブロック図

【図６】本発明の第１、２、３の実施形態の分岐予測情
報の更新動作（エントリなし）を示すブロック図

【図７】本発明の第１、２、３の実施形態の分岐予測情
報の更新動作（エントリなし）を示すブロック図

【図８】本発明の第１の実施形態のプログラムアドレス
１の分岐予測過程を示す図

【図９】本発明の第１の実施形態のプログラムアドレス
２の分岐予測過程を示す図

【図１０】本発明の第１の実施形態の分岐予測アルゴリ
ズムを示す図

【図１１】本発明の第１の実施形態の分岐予測合否情報
生成手段の入出力データを示す図

【図１２】本発明の第１の実施形態の分岐予測情報生成
手段の入出力データを示す図

【図１３】本発明の第２の実施形態のプログラムアドレ
ス１の分岐予測過程を示す図

【図１４】本発明の第２の実施形態のプログラムアドレ
ス２の分岐予測過程を示す図

【図１５】本発明の第２、４の実施形態の分岐予測アル
ゴリズムを示す図

【図１６】本発明の第２の実施形態の分岐予測合否情報
生成手段の入出力データを示す図

【図１７】本発明の第２の実施形態の分岐予測情報生成
手段の入出力データを示す図

【図１８】本発明の第３の実施形態のプログラムアドレ
ス１の分岐予測過程を示す図

【図１９】本発明の第３の実施形態のプログラムアドレ
ス２の分岐予測過程を示す図

【図２０】本発明の第３の実施形態の分岐予測アルゴリ
ズムを示す図

【図２１】本発明の第３の実施形態の分岐予測合否情報
生成手段の入出力データを示す図

【図２２】本発明の第３の実施形態の分岐予測情報生成
手段の入出力データを示す図

【図２３】本発明の第３の実施形態のデータ処理装置を
示すブロック図

【図２４】本発明の第３の実施形態の分岐予測手段を示
すブロック図

【図２５】本発明の第３の実施形態の命令フェッチ量制
御方法を示す図

【図２６】本発明の第３の実施形態の分岐予測情報の読
み出し動作を示すブロック図

【図２７】本発明の第４の実施形態の分岐予測手段を示
すブロック図

【図２８】本発明の第４の実施形態の分岐予測情報の更
新動作（エントリなし）を示すブロック図

【図２９】本発明の第４の実施形態の分岐予測情報の更
新動作（エントリなし）を示すブロック図

【図３０】従来例の分岐予測バッファの一エントリを示
す図

【図３１】従来例の分岐予測情報の更新方法を示す図

【符号の説明】

１ 命令解読手段 ２ 命令バッファ手段 ３ 分岐予測手段 ４ 分岐予測合否情報生成手段 ５ 分岐予測情報生成手段 ６ 命令先行解読手段 ７ 分岐予測バッファ ８ バッファ制御手段 ９ 命令記憶手段 １０ プログラムアドレス生成手段 １１ 汎用レジスタ手段 １２ 命令実行手段 １３ プログラムカウンタ １４ カウンタ制御手段 １５ 分岐先バッファ手段 １６ 命令選択手段 １７ セレクタＡ １８ 分岐予測制御回路 １９ セレクタＢ ２０ エントリレジスタ ２１ インクリメンタ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】条件分岐命令が実行された時、分岐が過去
   最も新しい条件分岐の実績及び過去数回の分岐予測が的
   中したか否かの合否に基づいて発生するか否かを予測す
   る分岐予測方法。
2. 【請求項２】条件分岐命令が実行された時、分岐が過去
   最も新しい条件分岐の実績及び過去数回の予測が的中し
   たか否かの合否履歴に基づいて、前記過去最も新しい条
   件分岐の実績の保持か反転で分岐が発生するか否かを予
   測する請求項１に記載の分岐予測方法。
3. 【請求項３】条件分岐命令が実行された時、分岐が過去
   最も新しい条件分岐の実績及び過去数回の予測が的中し
   たか否かの合否率に基づいて、前記過去最も新しい条件
   分岐の実績の保持か反転で分岐が発生するか否かを予測
   する請求項１に記載の分岐予測方法。
4. 【請求項４】分岐の成立、不成立を分岐予測の確からし
   さと共に予測するデータ処理装置であり、その確からし
   さの度合いに基づいて先読みする命令量を変えることを
   特徴とするデータ処理装置。
5. 【請求項５】「高い確率で分岐成立」、「低い確率で分
   岐成立」、「低い確率で分岐不成立」、「高い確率で分
   岐不成立」の４段階で先読みする命令量を変えることを
   特徴とする請求項４に記載のデータ処理装置。
6. 【請求項６】請求項２に記載の分岐予測方法で分岐予測
   するデータ処理装置であり、分岐予測の確からしさが
   「分岐実績の反転で予測する場合」よりも「分岐実績の
   保持で予測する場合」の方がより優っているとして、先
   読みする命令量を変えることを特徴とする請求項４に記
   載のデータ処理装置。
7. 【請求項７】請求項３に記載の分岐予測方法で分岐予測
   するデータ処理装置であり、分岐予測の確からしさが
   「分岐実績の反転で予測する場合」よりも「分岐実績の
   保持で予測する場合」の方がより優っているとして、先
   読みする命令量を変えることを特徴とする請求項４に記
   載のデータ処理装置。
8. 【請求項８】分岐の成立、不成立を分岐予測の確からし
   さと共に予測するデータ処理装置であり、その確からし
   さの度合いに基づいて、プログラムで出現する分岐命令
   の中から分岐予測する分岐命令群を構成することを特徴
   とするデータ処理装置。