JP3709933B2 - 分岐予測による分岐命令高速化方法、およびプロセッサ - Google Patents
分岐予測による分岐命令高速化方法、およびプロセッサ Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、パイプライン制御を行うパイプライン方式のプロセッサにおいて、分岐命令の分岐先を予測する分岐予測により分岐命令の処理速度を高速化する、分岐予測による分岐命令高速化方法、およびプロセッサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、プロセッサの処理速度を高速化するための方法として、パイプライン方式により実行サイクルを高速化する方法がある。このパイプライン方式では、命令キャッシュから分岐命令を読み出すと、分岐命令の実行が終了するまで、その分岐命令の後の命令の実行が待たされるという課題がある。
【0003】
そのため、パイプライン方式のプロセッサでは、分岐命令の先行実行を行うために、分岐命令を命令キャッシュから読み出す時に、分岐命令の分岐先命令を予測する分岐予測を行い、その予測結果に基づいて分岐先命令の命令アドレスを分岐予測テーブルから先行して読み出す処理が行われている。
【0004】
図4は、従来のプロセッサに設けられた分岐予測回路の一例を示す図である。
【0005】
図4に示すように本従来例のプロセッサに設けられた分岐予測回路は、命令アドレスレジスタ(以下、「IA」と称する)10と、命令キャッシュ(Icache)20と、分岐予測テーブル50と、命令レジスタ(以下、「IR」と称する)60とを有している。
【0006】
分岐予測テーブル50は、分岐命令アドレスを格納する分岐命令アドレスバッファ30と、分岐命令アドレスバッファ30にアドレスが格納された分岐命令の実行結果の予測値として、分岐先命令アドレスを格納する分岐予測バッファ40とから構成される。具体的には、分岐先命令アドレスとして、分岐命令の予測分岐先である分岐先命令のアドレスを格納する。
【0007】
IA10は、外部入力される命令アドレスを保持する。なお、IA10は、分岐命令アドレスバッファ30からの信号により、IA10のアドレス値が分岐命令アドレスバッファ30に格納されている分岐命令アドレスと一致する(分岐予測テーブルヒット)ことを認識した場合には、分岐予測バッファ40から読み出された分岐先命令アドレスを選択して保持する。
【0008】
命令キャッシュ20は、IA10のアドレス値により読み出される各種の命令を格納する。
【0009】
IR60は、IA10のアドレス値により命令キャッシュ20から読み出された命令を保持し、この命令を不図示の実行パイプに流す。実行パイプに流された命令は、不図示の実行ユニットにて実行される。
【0010】
以下に、図4に示したプロセッサの動作について説明する。
【0011】
命令キャッシュ20からの命令の読み出しは、IA10のアドレス値により命令キャッシュ20を読み出すことにより行われ、読み出した命令はIR60に保持され、不図示の実行パイプに流され不図示の実行ユニットにて実行される。
【0012】
分岐予測動作は、IA10のアドレス値が分岐命令のアドレスであり、この分岐命令の実行結果の予測値が分岐予測バッファ40に格納されている場合に行われる。すなわち、IA10のアドレス値が分岐命令アドレスバッファ30に格納されている分岐命令アドレスと一致した場合に行われる。
【0013】
図5を参照すると、例えば、IA10のアドレス値が分岐命令BCのアドレスであり、この分岐命令BCのアドレスが分岐命令アドレスバッファ30に格納されている場合(分岐予測テーブルヒット)、IA10は分岐予測バッファ40から読み出された分岐先命令Nextの命令アドレスを選択して保持する。
【0014】
従って、IA10には、分岐命令BCの命令アドレスが保持された次のサイクルで分岐命令BCの直後の分岐先命令であるNext命令の命令アドレスが保持され、IR60には、分岐命令BCが保持された次のサイクルでNext命令が保持されることになる。なお、図5において、IA10には、分岐命令BCの命令アドレスが保持される前のサイクルで分岐命令BCの直前の命令であるBefore命令の命令アドレスが保持され、IR60には、分岐命令BCが保持される前のサイクルでBefore命令が保持される。
【0015】
実行ユニットは、IR60に保持された、Before命令、BC命令、およびNext命令を順次実行し、分岐命令BCを実行する際に、分岐予測条件と実際の分岐条件とを比較することで、分岐予測結果の成功/不成功を判定する。両者が一致している場合には分岐予測成功と判断し、分岐命令BCを含む以降の命令を実行する。一方、両者が不一致の場合には分岐予測失敗と判断し分岐命令BCを含む以降の命令を破棄し分岐命令BCからの再実行を行う。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来のプロセッサにおいては、分岐命令の分岐先を予測する場合には分岐命令の実行そのものが予測されている。そこで、本発明は、この点に着目し、分岐命令そのものの実行サイクルを削減することにより、分岐命令の実行速度を高速化し命令実行を高速化することができる、分岐予測による分岐命令高速化方法、およびプロセッサを提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の分岐予測による分岐命令高速化方法は、
パイプライン方式のプロセッサにて行われる、分岐予測による分岐命令高速化方法において、
分岐先予測テーブルに、分岐命令の分岐命令アドレス、分岐命令の予測分岐先である分岐先命令の次命令の分岐先次命令アドレス、前記分岐先命令、および分岐予測時の分岐予測条件を格納するステップと、
命令アドレスレジスタに、命令キャッシュから命令を読み出す際に用いる当該命令の命令アドレスを保持させるステップと、
前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致する分岐命令の命令アドレスである場合、前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐先命令を前記分岐命令と差し替えて命令レジスタに保持させると共に、当該分岐先命令を前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐予測条件と一緒に実行パイプに流し実行させるステップと、
前記実行パイプに流された前記分岐先命令を実行する際に、前記実行パイプに流された前記分岐予測条件と実際の分岐条件の値とを比較することにより分岐予測の成功/不成功を判断するステップとを有することを特徴とするものである。
【0018】
この構成では、命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが分岐予測テーブル中の分岐命令アドレスと一致する場合(分岐予測テーブルヒット)、命令レジスタが分岐先命令を分岐命令と差し替えて保持することにより、分岐命令は実行パイプには渡らないことになるため、分岐命令そのものの実行サイクルを削減することが可能となる。
【0019】
また、前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致する分岐命令の命令アドレスである場合、
前記命令アドレスレジスタに、前記分岐命令の命令アドレスを保持した次のサイクルで、前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐先次命令アドレスを保持させるステップと、
前記命令レジスタに、前記分岐先命令を保持した次のサイクルで、前記命令アドレスレジスタに保持された前記分岐先次命令アドレスにより前記命令キャッシュから読み出した分岐先次命令を保持させると共に、当該分岐先次命令を前記実行パイプに流し実行させるステップとを有することとしても良い。
【0020】
この構成では、分岐予測テーブルヒット時に、分岐先命令および分岐先次命令を実行パイプに順次流し実行させることが可能となる。
【0021】
また、前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致しない場合、前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスにより前記命令キャッシュから読み出した命令を前記命令レジスタに保持させると共に、当該命令を前記実行パイプに流し実行させるステップを有することとしても良い。
【0022】
上記目的を達成するために本発明のプロセッサは、
パイプライン方式のプロセッサにおいて、
分岐命令の分岐命令アドレス、分岐命令の予測分岐先である分岐先命令の次命令の分岐先次命令アドレス、前記分岐先命令、および分岐予測時の分岐予測条件を格納する分岐先予測テーブルと、
各種の命令を格納する命令キャッシュと、
前記命令キャッシュから命令を読み出す際に用いる当該命令の命令アドレスを保持する命令アドレスレジスタと、
前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致する分岐命令の命令アドレスである場合、前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐先命令を前記分岐命令と差し替えて保持すると共に、当該分岐先命令を実行パイプに流す命令レジスタと、
前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致する分岐命令の命令アドレスである場合、前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐予測条件を前記分岐先命令と一緒に前記実行パイプに流す分岐予測条件レジスタと、
前記実行パイプに流された前記分岐先命令を実行する際に、前記実行パイプに流された前記分岐予測条件と実際の分岐条件の値とを比較することにより分岐予測の成功/不成功を判断する実行手段とを有することを特徴とするものである。
【0023】
また、前記命令アドレスレジスタは、前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致する分岐命令の命令アドレスである場合、前記分岐命令の命令アドレスを保持した次のサイクルで、前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐先次命令アドレスを保持し、
前記命令レジスタは、前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致する分岐命令の命令アドレスである場合、前記分岐先命令を保持した次のサイクルで、前記命令アドレスレジスタに保持された前記分岐先次命令アドレスにより前記命令キャッシュから読み出した分岐先次命令を保持すると共に、当該分岐先次命令を前記実行パイプに流し前記実行手段に実行させることとしても良い。
【0024】
また、前記命令レジスタは、前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致しない場合、前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスにより前記命令キャッシュから読み出した命令を保持すると共に、当該命令を前記実行パイプに流し前記実行手段に実行させることとしても良い。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0026】
図1は、本発明の一実施形態によるプロセッサに設けられた分岐予測回路を示す図である。
【0027】
図1に示すように本発明の一実施形態によるプロセッサに設けられた分岐予測回路は、命令アドレスレジスタ(以下、「IA」と称する)1と、命令キャッシュ(Icache)2と、分岐予測テーブル5と、命令レジスタ(以下、「IR」と称する)6と、分岐予測条件レジスタ7とを有している。
【0028】
分岐予測テーブル5は、分岐命令アドレスを格納する分岐命令アドレスバッファ3と、分岐命令アドレスバッファ3にアドレスが格納された分岐命令の実行結果の予測値として、図2に示すように、分岐先次命令アドレス、分岐先命令、および分岐予測条件を格納する分岐予測バッファ4とから構成される。具体的には、分岐先次命令アドレスとして、分岐命令の予測分岐先である分岐先命令の次命令の命令アドレスを格納し、分岐先命令として、分岐命令の予測分岐先命令そのものを格納し、分岐予測条件として、分岐命令により分岐判定を行うための条件となるフラグの分岐先予測時の値(分岐予測条件値)を格納する。
【0029】
IA1は、外部入力される命令アドレスを保持する。なお、IA1は、分岐命令アドレスバッファ3からの信号により、IA1のアドレス値が分岐命令アドレスバッファ3に格納されている分岐命令アドレスと一致する(分岐予測テーブルヒット)ことを認識した場合には、分岐予測バッファ4から読み出された分岐先次命令アドレスを選択して保持する。
【0030】
命令キャッシュ2は、IA1のアドレス値により読み出される各種の命令を格納する。
【0031】
IR6は、IA1のアドレス値により命令キャッシュ2から読み出された命令を保持し、この命令を不図示の実行パイプに流す。なお、IR6は、分岐命令アドレスバッファ3からの信号により、分岐予測テーブルヒットを認識した場合には、分岐予測バッファ4から読み出された分岐先命令を選択して保持し、この命令を実行パイプに流す。実行パイプに流された命令は、不図示の実行ユニットにて実行される。
【0032】
分岐予測条件レジスタ7は、分岐予測テーブルヒット時に、分岐予測バッファ4から読み出された分岐予測条件を保持し、実行パイプに流す。実行パイプに流された分岐予測条件は、不図示の実行ユニットにて分岐先命令実行時に分岐予測の成功/失敗を判断する際に用いられる。
【0033】
以下に、図1に示したプロセッサの動作について説明する。
【0034】
IA1のアドレス値が分岐命令アドレスバッファ3に格納されている分岐命令アドレスと一致しない場合には、従来技術と同様に、IA1のアドレス値により命令キャッシュ2から命令が読み出され、読み出された命令がIR6に保持され、不図示の実行パイプに流され不図示の実行ユニットにて実行される。
【0035】
これに対して、IA1のアドレス値が分岐命令のアドレスであり、その分岐命令の実行結果の予測値が分岐予測バッファ4に格納されている場合、すなわち、IA1のアドレス値が分岐命令アドレスバッファ3に格納されている分岐命令アドレスと一致する場合には、次のような動作が行われる。
【0036】
図3を参照すると、例えば、IA1のアドレス値が分岐命令BCのアドレスであり、この分岐命令BCのアドレスが分岐命令アドレスバッファ3に格納されている場合(分岐予測テーブルヒット)、IA1は、分岐予測バッファ4から読み出された分岐先命令Next1の次命令Next2の命令アドレスを選択して保持し、IR6は、分岐予測バッファ4から読み出された分岐先命令Next1自体を保持して実行パイプへと渡し、分岐予測条件レジスタ7は、分岐予測バッファ4から読み出された分岐予測条件を保持して実行パイプへと渡す。
【0037】
すなわち、IR6は、分岐予測テーブルヒット時には、分岐命令BC自体を保持せずに(分岐命令BCはとばされる)、分岐先命令Next1を分岐命令BCと差し替えて保持することになる。
【0038】
従って、IR6には、分岐命令BCの直前の命令であるBefore命令の次のサイクルで、分岐命令BCの直後の分岐先命令であるNext1命令が保持されることになり、分岐命令BC自体は省略され、実行パイプには渡らないことになる。なお、IR6は、Next1命令を保持した次のサイクルでは、IA1の分岐先次命令アドレスにより命令キャッシュ2から読み出されたNext2命令を保持し、実行パイプに渡すことになる。
【0039】
実行ユニットは、IR60に保持された、Before命令、Next1命令、およびNext2命令を順次実行し、予測先命令であるNext1命令を実行する際に、分岐予測条件レジスタ7から渡された分岐予測条件と実際の分岐条件とを比較することで、分岐予測結果の成功/不成功を判定する。両者が一致している場合には分岐予測成功と判断し、Next1命令を含む以降の命令を実行する。一方、不一致の場合には分岐予測失敗と判断しNext1命令を含む以降の命令を破棄し分岐命令BCからの再実行を行う。
【0040】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、分岐先予測テーブルに、分岐命令アドレス、分岐先次命令アドレス、分岐先命令、および分岐予測条件を格納しておき、命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが分岐予測テーブル中の分岐命令アドレスと一致する場合には(分岐予測テーブルヒット)、分岐予測テーブル中の分岐先命令を分岐命令と差し替えると共に、当該分岐先命令を分岐予測テーブル中の分岐予測条件と一緒に実行パイプに流し実行させる。
【0041】
それにより、分岐命令そのものは実行パイプには渡らないことになり、分岐命令そのものの実行サイクルを削減することができるため、分岐命令の実行速度を高速化し命令実行を高速化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態によるプロセッサに設けられた分岐予測回路を示す図である。
【図2】図1に示した分岐予測バッファに格納されるデータを示す図である。
【図3】図1に示したIAおよびIRの分岐予測ヒット時の動作を説明するタイムチャートである。
【図4】従来のプロセッサに設けられた分岐予測回路の一例を示す図である。
【図5】図4に示したIAおよびIRの分岐予測ヒット時の動作を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
1 命令アドレスレジスタ(IA)
2 命令キャッシュ
3 分岐命令アドレスバッファ
4 分岐予測バッファ
5 分岐予測テーブル
6 命令レジスタ(IR)
7 分岐予測条件レジスタ
Claims (6)
- パイプライン方式のプロセッサにて行われる、分岐予測による分岐命令高速化方法において、
分岐先予測テーブルに、分岐命令の分岐命令アドレス、分岐命令の予測分岐先である分岐先命令の次命令の分岐先次命令アドレス、前記分岐先命令、および分岐予測時の分岐予測条件を格納するステップと、
命令アドレスレジスタに、命令キャッシュから命令を読み出す際に用いる当該命令の命令アドレスを保持させるステップと、
前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致する分岐命令の命令アドレスである場合、前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐先命令を前記分岐命令と差し替えて命令レジスタに保持させると共に、当該分岐先命令を前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐予測条件と一緒に実行パイプに流し実行させるステップと、
前記実行パイプに流された前記分岐先命令を実行する際に、前記実行パイプに流された前記分岐予測条件と実際の分岐条件の値とを比較することにより分岐予測の成功/不成功を判断するステップとを有することを特徴とする、分岐予測による分岐命令高速化方法。 - 前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致する分岐命令の命令アドレスである場合、
前記命令アドレスレジスタに、前記分岐命令の命令アドレスを保持した次のサイクルで、前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐先次命令アドレスを保持させるステップと、
前記命令レジスタに、前記分岐先命令を保持した次のサイクルで、前記命令アドレスレジスタに保持された前記分岐先次命令アドレスにより前記命令キャッシュから読み出した分岐先次命令を保持させると共に、当該分岐先次命令を前記実行パイプに流し実行させるステップとを有する、請求項1に記載の分岐予測による分岐命令高速化方法。 - 前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致しない場合、前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスにより前記命令キャッシュから読み出した命令を前記命令レジスタに保持させると共に、当該命令を前記実行パイプに流し実行させるステップを有する、請求項1または2に記載の分岐予測による分岐命令高速化方法。
- パイプライン方式のプロセッサにおいて、
分岐命令の分岐命令アドレス、分岐命令の予測分岐先である分岐先命令の次命令の分岐先次命令アドレス、前記分岐先命令、および分岐予測時の分岐予測条件を格納する分岐先予測テーブルと、
各種の命令を格納する命令キャッシュと、
前記命令キャッシュから命令を読み出す際に用いる当該命令の命令アドレスを保持する命令アドレスレジスタと、
前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致する分岐命令の命令アドレスである場合、前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐先命令を前記分岐命令と差し替えて保持すると共に、当該分岐先命令を実行パイプに流す命令レジスタと、
前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致する分岐命令の命令アドレスである場合、前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐予測条件を前記分岐先命令と一緒に前記実行パイプに流す分岐予測条件レジスタと、
前記実行パイプに流された前記分岐先命令を実行する際に、前記実行パイプに流された前記分岐予測条件と実際の分岐条件の値とを比較することにより分岐予測の成功/不成功を判断する実行手段とを有することを特徴とするプロセッサ。 - 前記命令アドレスレジスタは、前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致する分岐命令の命令アドレスである場合、前記分岐命令の命令アドレスを保持した次のサイクルで、前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐先次命令アドレスを保持し、
前記命令レジスタは、前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致する分岐命令の命令アドレスである場合、前記分岐先命令を保持した次のサイクルで、前記命令アドレスレジスタに保持された前記分岐先次命令アドレスにより前記命令キャッシュから読み出した分岐先次命令を保持すると共に、当該分岐先次命令を前記実行パイプに流し前記実行手段に実行させる、請求項4に記載のプロセッサ。 - 前記命令レジスタは、前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスが前記分岐予測テーブルに格納された前記分岐命令アドレスと一致しない場合、前記命令アドレスレジスタに保持された命令アドレスにより前記命令キャッシュから読み出した命令を保持すると共に、当該命令を前記実行パイプに流し前記実行手段に実行させる、請求項4または5に記載のプロセッサ。
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