JPH10228377A

JPH10228377A - 分岐予測する情報処理装置

Info

Publication number: JPH10228377A
Application number: JP9337089A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Takayama; 秀一高山; Nobuo Higaki; 信生桧垣
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1997-12-08
Publication date: 1998-08-25
Anticipated expiration: 2017-12-08
Also published as: DE69736164D1; TW380238B; EP0847004B1; EP0847004A1; JP3760041B2; CN1153133C; KR100440805B1; US5928358A; KR19980063936A; CN1186981A; DE69736164T2

Abstract

(57)【要約】【課題】小規模のハードウェアで実現することがで
き、かつ、高い的中率の分岐予測を行う情報処理装置を
提供する。【解決手段】分岐命令自体に分岐予測情報１３ｂと分
岐履歴情報１３ｃとが含まれ、分岐予測情報１３ｂは、
次に実行された場合に予測される分岐成否を示す１ビッ
トであり、分岐履歴情報１３ｃは、過去に分岐が成立し
た頻度が「極めて多い」、「多い」、「少ない」、「極
めて少ない」のいずれかを示す２ビットである。命令フ
ェッチ器１２は分岐予測情報１３ｂに基づいてキャッシ
ュメモリ１１ａから命令を先取りする。命令実行器１５
が分岐命令を実行し終えると、その実行結果と直前の分
岐履歴情報１３ｃとに基づいて、分岐履歴情報生成器１
６は新たな分岐履歴情報を生成し、分岐予測情報生成器
１７は新たな分岐予測情報を生成し、分岐命令更新器１
８は、生成された分岐履歴情報と分岐予測情報とをキャ
ッシュメモリ１１ａ上の元の分岐命令の該当箇所に書き
込む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロプロセッ
サ等の情報処理装置に関し、特に分岐予測の改良技術に
関する。

【０００２】

【従来の技術】パイプライン構造を採るマイクロプロセ
ッサ等の情報処理装置において、分岐命令の実行によっ
て制御の流れが分岐した場合に生じるパイプラインの乱
れを抑える手法の一つに分岐予測がある。高い的中率の
分岐予測を行うには、条件付き分岐命令（以下、単に
「分岐命令」という。）ごとに分岐の成否を予測する必
要がある。そのための方法として、プログラム中の各分
岐命令に対応する分岐予測情報を集めた分岐予測テーブ
ルを設けることが考えられる。

【０００３】ところが、情報処理装置の内部に分岐予測
テーブルを持たせたのではハードウェアの増大を招く。
そこで、分岐予測情報を情報処理装置の内部に固定的に
保持するのではなく、分岐命令自体に備えることによっ
て、情報処理装置に必要とされるハードウェアを最小限
に抑える分岐予測手法が提案されている（例えば、特開
昭６３−７５９３４に開示された情報処理装置）。

【０００４】図１４は、上記従来の情報処理装置用の分
岐命令のフォーマットを示す。この従来の情報処理装置
では、分岐命令４０に１ビットの分岐予測情報４０ｂを
持たせておき、分岐命令４０の解読時には、その分岐予
測情報４０ｂに従って次に実行すべき命令をメモリから
先取りする。そして、分岐命令４０の実行が終了する
と、その実行結果と分岐予測情報４０ｂを照合し、予測
が失敗した場合には、メモリに格納されているその分岐
命令４０の分岐予測情報４０ｂを更新するというもので
ある。

【０００５】これによって、情報処理装置の内部に分岐
予測テーブルを設けることを回避している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の情報処理装置は、情報処理装置に必要とされるハー
ドウェア規模を抑えているものの、分岐予測の的中率が
低いために、分岐予測の失敗に伴うペナルティが頻繁に
生じるという問題点がある。つまり、上記従来の情報処
理装置は、直前の実行結果を示す１ビットの分岐予測情
報４０ｂに基づいて次の命令を先取りするために、例え
ば、分岐の成立と不成立が交互に繰り返される場合には
全ての予測が外れてしまう。そのために、このような分
岐命令を実行する度に、先取りしていた命令を無効化し
なければならず、情報処理装置の実行の高速化が妨げら
れる。

【０００７】そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなさ
れたものであり、小規模のハードウェアで実現すること
ができ、かつ、高い的中率の分岐予測を行う情報処理装
置を提供することを目的とする。また、本発明の第２の
目的は、上記情報処理装置をソフトウェアで実現するた
めのプログラムや上記情報処理装置のための特有の分岐
命令を含む命令群が記録された記録媒体を提供すること
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明に係る情報処理装置は、命令を逐次実
行する情報処理装置であって、分岐の成否を予測する分
岐予測情報と過去の分岐結果についての情報を示す分岐
履歴情報とを有する分岐命令を含む命令群を予め記憶す
る記憶手段と、前記記憶手段から次に実行すべき命令を
読み出す命令フェッチ手段と、読み出された命令が前記
分岐命令であるか否か解読する命令解読手段と、前記命
令が分岐命令であると解読された場合に、その分岐命令
の分岐予測情報に基づいて次に実行すべき命令を読み出
すよう前記命令フェッチ手段を制御する命令フェッチ制
御手段と、解読された前記分岐命令を実行する実行手段
と、前記分岐命令が実行された際の分岐結果とその分岐
命令に含まれていた分岐履歴情報とに基づいて新たな分
岐予測情報を生成する分岐予測情報生成手段と、前記分
岐命令が実行された際の分岐結果とその分岐命令に含ま
れていた分岐履歴情報とに基づいて新たな分岐履歴情報
を生成する分岐履歴情報生成手段と、前記記憶手段に格
納された前記分岐命令の分岐予測情報と分岐履歴情報と
を前記分岐予測情報生成手段によって生成された分岐予
測情報と前記分岐履歴情報生成手段によって生成された
分岐履歴情報とに更新する分岐命令更新手段とを備える
ことを特徴とする。

【０００９】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明に係る記録媒体は、分岐予測して命令を先読みす
るマイクロプロセッサの動作をシミュレーションするプ
ログラムが記録された記録媒体であって、前記プログラ
ムは、分岐の成否を予測する分岐予測情報と過去の分岐
結果についての情報を示す分岐履歴情報とを有する分岐
命令を含む命令群を予め記憶する記憶手段から、次に実
行すべき命令を読み出す命令フェッチステップと、読み
出された命令が前記分岐命令であるか否か解読する命令
解読ステップと、前記命令が分岐命令であると解読され
た場合に、その分岐命令の分岐予測情報に基づいて次に
実行すべき命令を読み出す分岐予測ステップと、解読さ
れた前記分岐命令を実行する実行ステップと、前記分岐
命令が実行された際の分岐結果とその分岐命令に含まれ
ていた分岐履歴情報とに基づいて新たな分岐予測情報を
生成する分岐予測情報生成ステップと、前記分岐命令が
実行された際の分岐結果とその分岐命令に含まれていた
分岐履歴情報とに基づいて新たな分岐履歴情報を生成す
る分岐履歴情報生成ステップと、前記記憶手段に格納さ
れた前記分岐命令の分岐予測情報と分岐履歴情報とを前
記分岐予測情報生成ステップによって生成された分岐予
測情報と前記分岐履歴情報生成ステップによって生成さ
れた分岐履歴情報とに更新する分岐命令更新ステップと
をコンピュータに実行させることを特徴とする。

【００１０】さらに、コンピュータによって実行される
命令群が記録された記録媒体であって、前記命令群に
は、分岐の成否を予測する分岐予測情報と過去の分岐結
果についての情報を示す分岐履歴情報とを有する分岐命
令が含まれ、前記分岐予測情報は、その分岐予測情報を
有する分岐命令が前記コンピュータによって最後に実行
された際の分岐結果と分岐履歴情報とに基づいて生成さ
れた値であり、前記分岐履歴情報は、その分岐履歴情報
を有する分岐命令が前記コンピュータによって最後に実
行された際の分岐結果と分岐履歴情報とに基づいて生成
された値であり、その分岐命令についての過去の複数の
分岐結果に関する要約であることを特徴とする記録媒体
としたり、コンピュータによって実行される命令群が記
録された記録媒体であって、前記命令群には、分岐の成
否を予測する分岐予測情報と過去の分岐結果についての
情報を示す分岐履歴情報とを有する分岐命令が含まれ、
前記分岐予測情報は、その分岐予測情報を有する分岐命
令が前記コンピュータによって最後に実行された際の分
岐結果と分岐履歴情報とに基づいて生成された値であ
り、前記分岐履歴情報は、その分岐履歴情報を有する分
岐命令が前記コンピュータによって最後に実行された際
の分岐結果と分岐履歴情報とに基づいて生成された値で
あり、その分岐命令についての過去の分岐ごとの分岐結
果を示すことを特徴とする記録媒体とすることもでき
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る情報処理装置
の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。（情報処理装置の構成）図１は、本発明に係る情報処理
装置１００の構成を示すブロック図である。

【００１２】本装置１００は、予め用意された３２ビッ
ト固定長の命令を逐一にフェッチ・解読・実行するプロ
セッサシステムであり、メインメモリ９、キャッシュユ
ニット１１、命令フェッチ器１２、命令レジスタ１３、
命令解読器１４、命令実行器１５、アドレス制御器８、
プログラムカウンタ群１０、アドレス生成器１９、分岐
履歴情報生成器１６、分岐予測情報生成器１７及び分岐
命令更新器１８から構成される。

【００１３】これら各構成要素８〜１９は、図示されて
いないクロック信号に同期して動作する。また、構成要
素１２〜１８は４段のパイプラインを構成している。即
ち、命令フェッチ器１２はパイプラインのフェッチ（Ｉ
Ｆ）ステージを構成し、命令レジスタ１３と命令解読器
１４はパイプラインの解読（ＤＥＣ）ステージを構成
し、命令実行器１５、分岐履歴情報生成器１６、分岐予
測情報生成器１７及び分岐命令更新器１８はパイプライ
ンの実行（ＥＸ）ステージを構成し、さらに命令実行器
１５及び分岐命令更新器１８はパイプラインのメモリア
クセス（ＭＥＭ）ステージを構成し、各ステージにおけ
る処理は１クロックサイクル内で独立かつ並列に行われ
る。

【００１４】メインメモリ９は、ＤＲＡＭ等であり、本
装置１００の実行対象となる命令列（プログラム）を格
納している。このプログラムには、本装置１００に特有
の分岐命令が含まれている。図２は、その分岐命令のフ
ォーマットを示す図である。分岐命令２０は、１３ビッ
トのオペコード２０ａ、１ビットの分岐予測情報２０
ｂ、２ビットの分岐履歴情報２０ｃ及び１６ビットの分
岐先アドレス２０ｄからなる。

【００１５】オペコード２０ａは、この命令を識別する
ためのオペレーションコードや分岐条件等を示す。分岐
予測情報２０ｂは、次にこの分岐命令が実行された場合
における分岐の成否を予測するものである。具体的に
は、この分岐予測情報２０ｂと予測内容との関係は以下
の通りである。

【００１６】分岐予測情報２０ｂが「０」である場合は
分岐が不成立、分岐予測情報２０ｂが「１」である場合
は分岐が成立、と予測する。分岐履歴情報２０ｃは、こ
の分岐命令の過去の複数の分岐結果を要約した情報（統
計的にまとめた情報）に相当する。具体的には、この分
岐履歴情報２０ｃと過去に分岐が成立した頻度（不成立
の場合と比較した頻度）との関係は以下の通りである。

【００１７】分岐履歴情報２０ｃが「００」である場合
は「極めて少ない」、分岐履歴情報２０ｃが「０１」で
ある場合は「少ない」、分岐履歴情報２０ｃが「１０」
である場合は「多い」、分岐履歴情報２０ｃが「１１」
である場合は「極めて多い」、を示す。

【００１８】分岐先アドレス２０ｄは、分岐が成立した
場合に分岐すべきアドレス、即ち、次に実行すべき命令
が置かれているメインメモリ９上のアドレスを示す。な
お、分岐が成立しなかった場合には、次に実行すべき命
令は、この分岐命令の直後に置かれた命令である。キャ
ッシュユニット１１は、命令フェッチ器１２によるメイ
ンメモリ９へのアクセスを高速化するものであり、キャ
ッシュメモリ１１ａ、タグメモリ１１ｂ及びキャッシュ
コントローラ１１ｃから構成される。

【００１９】キャッシュメモリ１１ａは、ＳＲＡＭ等で
あり、メインメモリ９に置かれたプログラムの一部をキ
ャッシュブロックと呼ばれる単位で格納する高速メモリ
である。タグメモリ１１ｂは、そのキャッシュブロック
のアドレス等からなるタグディレクトリを記憶する。キ
ャッシュコントローラ１１ｃは、命令フェッチ器１２か
ら出力されたアドレスとタグメモリ１１ｂの内容を比較
することによってキャッシュヒットの有無を検出し、ヒ
ットした場合には命令フェッチ器１２によるキャッシュ
メモリ１１ａへのアクセスを有効化する。一方、ミスヒ
ットの場合にはＬＲＵ（Least Recently Used）アルゴ
リズムによりキャッシュブロックを置き換える。また、
キャッシュブロックが書き換えられた場合には、ライト
バック方式によりそのキャッシュブロックをメインメモ
リ９に書き込むことで、キャッシュメモリ１１ａとメイ
ンメモリ９の内容の一貫性を保っている。

【００２０】命令フェッチ器１２は、次に解読し実行す
べき命令を先取りするものであり、フェッチ用命令カウ
ンタ１０ａから送られてきたフェッチアドレスをキャッ
シュユニット１１に出力し、そのアドレスに対応する命
令をキャッシュメモリ１１ａ（又はメインメモリ９）か
ら読み出して内部の命令バッファ１２ａに一時的に保持
する。命令バッファ１２ａは、先取りした１個の命令を
保持するレジスタである。

【００２１】命令レジスタ１３は、解読の対象となる１
個の命令を保持するレジスタであり、命令バッファ１２
ａに先取りされた命令を次のクロックサイクルで読み出
し、解読期間中その命令を保持する。本図では、命令レ
ジスタ１３に分岐命令が保持された場合の格納内容が示
されている。命令解読器１４は、マイクロプログラムを
格納したＲＯＭ等からなり、命令レジスタ１３に保持さ
れた命令のオペコード１３ａを解読し、その結果を制御
信号１４１として命令実行器１５に出力する。また、解
読対象が分岐命令である場合には、その分岐命令の分岐
予測情報１３ｂを信号線１４２を介して命令実行器１５
とアドレス制御器８に通知する。

【００２２】アドレス制御器８は、命令解読器１４や命
令実行器１５からの通知に基づいてアドレス生成器１９
及びプログラムカウンタ群１０を制御することにより、
プログラムカウンタ群１０を構成する３つのカウンタ
（フェッチ用命令カウンタ１０ａ、解読用命令カウンタ
１０ｂ、実行用命令カウンタ１０ｃ）の値を更新する。
その結果、フェッチ用命令カウンタ１０ａには命令バッ
ファ１２ａに格納されている命令が置かれていたメイン
メモリ９上のアドレス（フェッチアドレス）、解読用命
令カウンタ１０ｂには命令レジスタ１３に保持されてい
る命令が置かれていたメインメモリ９上のアドレス（解
読アドレス）、実行用命令カウンタ１０ｃには命令実行
器１５で実行されている命令が置かれていたメインメモ
リ９上のアドレス（実行アドレス）が保持されることに
なる。

【００２３】アドレス生成器１９は、ＡＬＵやセレクタ
等からなり、アドレス制御器８による制御の下で、プロ
グラムカウンタ群１０の各カウンタ１０ａ〜１０ｃに対
してインクリメントしたり、分岐先アドレス１３ｄをフ
ェッチ用命令カウンタ１０ａに書き込んだり、無効化し
たりする。命令実行器１５は、命令解読器１４からの制
御信号１４１に従って内部に有する汎用レジスタや演算
器等を含む各構成要素を制御することによって各命令に
対応した演算やデータ転送等を実行する。

【００２４】また、命令実行器１５は、実行した命令が
分岐命令であった場合には、その実行結果（分岐の成
否）を信号線１５１を介して分岐履歴情報生成器１６及
び分岐予測情報生成器１７に通知すると共に、分岐予測
が外れた場合のペナルティ処理（命令レジスタ１３に転
送された命令の無効化及び実行結果に基づく本来の分岐
先命令のフェッチ）のために、その実行結果と分岐予測
情報１３ｂとを比較しその結果（予測が的中した／外れ
た）を信号線１５２を介して命令解読器１４及びアドレ
ス制御器８に通知する。

【００２５】分岐履歴情報生成器１６は、分岐命令が命
令実行器１５によって実行された場合に、その分岐命令
に含まれていた分岐履歴情報１３ｃとその実行結果（分
岐の成否）とに基づいて、その分岐履歴情報を変更すべ
きか否か判断し、変更すべき場合には新たな分岐履歴情
報を生成し、その判断結果（「そのまま維持すべき」か
「更新した」か）と新たな分岐履歴情報とを分岐命令更
新器１８に出力する。

【００２６】分岐予測情報生成器１７は、分岐命令が命
令実行器１５によって実行された場合に、その分岐命令
に含まれていた分岐履歴情報１３ｃとその実行結果（分
岐の成否）とに基づいて、その分岐予測情報を変更すべ
きか否か判断し、変更すべき場合には新たな分岐予測情
報を生成し、その判断結果（「そのまま維持すべき」か
「更新した」か）と新たな分岐予測情報とを分岐命令更
新器１８に出力する。

【００２７】図３は、分岐履歴情報生成器１６及び分岐
予測情報生成器１７の入出力関係を示す真理値表であ
る。つまり、入力値の欄は、分岐履歴情報生成器１６及
び分岐予測情報生成器１７それぞれに入力される分岐履
歴情報Ｈ1Ｈ0及び実行結果Ｘの全ての組み合わせを示
し、出力値の分岐履歴情報Ｎ1Ｎ0欄は、左欄の各入力値
の組み合わせに対して分岐履歴情報生成器１６が出力す
る新たな分岐履歴情報を示し、出力値の分岐予測情報Ｆ
欄は、左欄の各入力値の組み合わせに対して分岐予測情
報生成器１７が出力する新たな分岐予測情報を示す。な
お、図中の記号「−」は、その値が意味を持たないこ
と、即ち、分岐履歴情報生成器１６（又は分岐予測情報
生成器１７）が分岐履歴情報（又は分岐予測情報）を
「そのまま維持すべき」旨を別の信号線を用いて分岐命
令更新器１８に通知することを示す。

【００２８】図４は、分岐履歴情報生成器１６の詳細な
回路を示す。分岐履歴情報生成器１６は、３ビットの入
力信号（分岐履歴情報Ｈ1Ｈ0及び実行結果Ｘ）に対し
て、３ビットの信号（分岐履歴情報Ｎ1Ｎ0及び「そのま
ま維持すべき」旨を示す情報Ｍ1）を分岐命令更新器１
８に出力する組み合わせ論理回路として実現されてい
る。

【００２９】図５は、分岐予測情報生成器１７の詳細な
回路を示す。分岐予測情報生成器１７は、３ビットの入
力信号（分岐履歴情報Ｈ1Ｈ0及び実行結果Ｘ）に対し
て、２ビットの信号（分岐予測情報Ｆ及びその情報を
「そのまま維持すべき」旨を示す情報Ｍ0）を分岐命令
更新器１８に出力する組み合わせ論理回路として実現さ
れている。なお、上記情報Ｍ1及びＭ0は、上記各情報を
「そのまま維持すべき」場合に論理値「１」となる。

【００３０】図６は、分岐履歴情報２０ｃの値を状態と
する分岐命令２０の状態遷移図であり、同時に、図３に
示された分岐履歴情報及び分岐予測情報の更新アルゴリ
ズムを示す図である。図中の４つの楕円は２ビットの分
岐履歴情報のとり得る値（状態）に相当し、実線の遷移
矢印線は実行結果が分岐成立「１」の場合、破線の遷移
矢印線は実行結果が分岐不成立「０」の場合の遷移方向
を示す。また、分岐予測情報が明示的に出力（変更）さ
れる場合が、遷移矢印線３０ａ、３０ｂの横に添付記載
されている。

【００３１】例えば、実行前における分岐履歴情報が
「１０」（過去に分岐が成立した頻度が「多い」）であ
り、その分岐命令の実行結果が成立「１」であった場合
には、分岐履歴情報生成器１６は新たな分岐履歴情報
「１１」（過去に分岐が成立した頻度が「極めて多
い」）を分岐命令更新器１８に出力すると同時に、分岐
予測情報生成器１７は新たな分岐予測情報「１」（成
立）を分岐命令更新器１８に出力する。

【００３２】分岐命令更新器１８は、分岐履歴情報生成
器１６からの信号（Ｎ1、Ｎ0、Ｍ1）、分岐予測情報生
成器１７からの信号（Ｆ、Ｍ0）及び実行用命令カウン
タ１０ｃの値に基づいて、その実行用命令カウンタ１０
ｃの値が示すキャッシュメモリ１１ａ（又はメインメモ
リ９）上のアドレスに置かれた分岐命令の上位１６ビッ
ト（オペコード２０ａ、分岐予測情報２０ｂ及び分岐履
歴情報２０ｃ）を更新する。但し、分岐履歴情報生成器
１６及び分岐予測情報生成器１７の両方から各情報を
「そのまま維持すべき」旨の通知を受けた場合及び命令
実行器１５によって実行された命令が分岐命令でない旨
の通知を受けた場合には、分岐命令更新器１８は上記メ
インメモリ９（又はキャッシュメモリ１１ａ）に対して
何のアクションも起こさない。

【００３３】図７は、分岐命令更新器１８の詳細な構成
を示すブロック図である。分岐命令更新器１８はさら
に、分岐命令記憶部１８ａ、更新判断部１８ｂ、命令生
成部１８ｃ及びアドレスゲート部１８ｄから構成され
る。分岐命令記憶部１８ａは、命令レジスタ１３に新た
な命令が格納されるたびにその命令の上位１６ビット
（その命令が分岐命令の場合であれば、オペコード１３
ａ、分岐予測情報１３ｂ及び分岐履歴情報１３ｃからな
る１６ビット）を取得して記憶するキューバッファであ
り、解読ステージ及び実行ステージにある２個の命令の
各上位１６ビットを保持する。

【００３４】更新判断部１８ｂは、分岐履歴情報生成器
１６から分岐履歴情報の更新の有無に関する信号Ｍ1
を、分岐予測情報生成器１７から分岐予測情報の更新の
有無に関する信号Ｍ0を取得し、それぞれの信号に基づ
いて命令生成部１８ｃにおける新たな分岐命令の生成を
制御したり、アドレスゲート部１８ｄによるアドレスの
出力許否を制御する。

【００３５】命令生成部１８ｃは、分岐命令記憶部１８
ａに記憶された２個の１６ビット命令のうち先に格納さ
れたもの（これは、直前に実行された分岐命令の上位１
６ビット部分に相当する）に対して分岐履歴情報生成器
１６及び分岐予測情報生成器１７から出力された新たな
分岐履歴情報Ｎ1Ｎ0及び分岐予測情報Ｆを上書きするこ
とにより、キャッシュユニット１１（又はメインメモリ
９）上の更新すべき分岐命令の上位１６ビット部分を生
成する。但し、更新判断部１８ｂから「そのまま維持す
べき」旨の信号（Ｍ1及びＭ0）を受けた場合には、その
信号に対応する分岐履歴情報及び（又は）分岐予測情報
は更新しない。

【００３６】アドレスゲート部１８ｄは、更新判断部１
８ｂに入力された２つの信号Ｍ1，Ｍ0の少なくとも一つ
が「更新した」旨を示す場合に、実行用命令カウンタ１
０ｃの値をキャッシュユニット１１に出力する。このよ
うに、分岐命令更新器１８は、命令実行器１５によって
実行された分岐命令の分岐予測情報２０ｂ及び分岐履歴
情報２０ｃの少なくとも一方を変更する必要がある場合
には、キャッシュメモリ１１ａ（又はメインメモリ９）
に置かれた当該分岐命令の上位１６ビット部分に新たな
１６ビットを上書きすることで、分岐命令２０自体を更
新する。

【００３７】ここで、上記分岐履歴情報生成器１６、分
岐予測情報生成器１７及び分岐命令更新器１８による分
岐履歴情報及び分岐予測情報の具体的な変化について、
図６の状態遷移図に従って、以下に例示する。いま、分
岐履歴情報２０ｃが「００」で分岐予測情報２０ｂが
「０」である分岐命令２０が繰り返し実行されるとす
る。すると、第１回目の実行結果が分岐成立であった場
合には、分岐履歴情報２０ｃは「０１」に更新され、分
岐予測情報２０ｂは変化しない。

【００３８】第２回目の実行結果が分岐成立であった場
合には、分岐履歴情報２０ｃは「１０」に更新され、分
岐予測情報２０ｂは変化しない。第３回目の実行結果が
分岐成立であった場合には、分岐履歴情報２０ｃは「１
１」に更新され、分岐予測情報２０ｂは「１」に更新さ
れる。第４回目の実行結果が分岐不成立であった場合に
は、分岐履歴情報２０ｃは「１０」に更新され、分岐予
測情報２０ｂは変化しない。

【００３９】第５回目の実行結果が分岐不成立であった
場合には、分岐履歴情報２０ｃは「０１」に更新され、
分岐予測情報２０ｂは変化しない。第６回目の実行結果
が分岐不成立であった場合には、分岐履歴情報２０ｃは
「００」に更新され、分岐予測情報２０ｂは「０」に更
新される。以上の例示を分岐予測情報２０ｂの値を縦軸
にとり、分岐履歴情報２０ｃの値を横軸にとった座標系
にプロットすると図８に示されるグラフとなる。

【００４０】このグラフから判るように、分岐の成立が
連続した場合に分岐予測情報２０ｂが「０」から「１」
に変化する場合の分岐履歴情報２０ｃの遷移箇所と、分
岐の不成立が連続した場合に分岐予測情報２０ｂが
「１」から「０」に変化する場合の分岐履歴情報２０ｃ
の遷移箇所とは相違する。即ち、分岐履歴情報２０ｃが
変化する方向により分岐予測情報２０ｂが反転するしき
い値が異なる。これは、分岐結果の履歴を入力として分
岐予測情報２０ｂを決定する写像においてヒステリシス
が存在すると言える。つまり、過去に分岐が成立した頻
度と不成立だった頻度において顕著な差がない限り、そ
れまでの分岐予測を尊重（維持）することを意味する。

【００４１】このヒステリシスによって、例外的に発生
する分岐によって分岐予測情報２０ｂが乱されてしまう
という不具合や、分岐成立と不成立とを繰り返す場合に
おける分岐予測の全てが外れてしまうという不具合等が
回避され、特に、制御系のプログラムにおける分岐予測
の的中率が高くなる。（情報処理装置１００の動作）次に、以上のように構成
された情報処理装置１００の動作について、具体的な分
岐命令が実行される場合を例にとって説明する。

【００４２】図９は、情報処理装置１００におけるパイ
プライン処理の流れを示す図である。いま、メインメモ
リ９に置かれた分岐命令の分岐予測情報２０ｂ及び分岐
履歴情報２０ｃの初期値がそれぞれ「０」及び「０１」
であるとする。なお、これら初期値は、ソースプログラ
ムの静的な解析によりコンパイラが生成したものであ
る。そして、その分岐命令を含むキャッシュブロックが
メインメモリ９から読み出されてキャッシュメモリ１１
ａに置かれているとする。（１）ＩＦステージその分岐命令は、命令フェッチ器１２によって、クロッ
クサイクル１の後半（１ｂ）において、キャッシュメモ
リ１１ａから読み出され命令バッファ１２ａに格納され
る。（２）ＤＥＣステージ次のクロックサイクル２の前半（２ａ）において、命令
バッファ１２ａに先読みされていた分岐命令は命令レジ
スタ１３に転送され、命令解読器１４によって解読され
る。

【００４３】具体的には、命令解読器１４は、命令レジ
スタ１３に保持されたオペコード１３ａを解読すること
によって解読対象が分岐命令であると判断し、分岐条件
の判断を行わせるための制御信号を命令実行器１５に出
力すると共に、命令レジスタ１３に保持された分岐予測
情報１３ｂをアドレス制御器８に通知する。アドレス制
御器８は、通知された分岐予測情報１３ｂが「０」であ
るので、この命令の実行結果は分岐不成立と予測し、ア
ドレス生成器１９を制御することによってフェッチ用命
令カウンタ１０ａの値をインクリメントさせる。その値
（フェッチアドレス）は命令フェッチ器１２を経てキャ
ッシュユニット１１に出力される。

【００４４】その結果、このクロックサイクル２の後半
（２ｂ）におけるＩＦステージにおいては、この分岐命
令に後続する命令が命令フェッチ器１２によって読み出
され命令バッファ１２ａに格納される。このように、分
岐命令が実行される前であるにも拘わらず、分岐命令が
有する分岐予測情報に基づく次命令の先読みが行われ
る。（３）ＥＸステージ続くクロックサイクル３の前半（３ａ）において、命令
実行器１５は、命令解読器１４からの制御信号に従っ
て、この分岐命令の条件判断を行い、その実行結果（分
岐の成否）を分岐履歴情報生成器１６及び分岐予測情報
生成器１７に通知すると共に、その予測結果（的中の当
否）を命令解読器１４及びアドレス制御器８に通知す
る。

【００４５】そして、このクロックサイクル３の後半
（３ｂ）において、分岐履歴情報生成器１６及び分岐予
測情報生成器１７は、上記通知を受けると同時に命令レ
ジスタ１３に格納されていた分岐履歴情報１３ｃを獲得
し、図６に示された遷移に従って、それぞれ、新たな分
岐履歴情報及び分岐予測情報を生成（又はそのままに）
し、その結果を分岐命令更新器１８に通知する。新たな
分岐履歴情報及び（又は）分岐予測情報の通知を受けた
分岐命令更新器１８は、それら情報を有する新たな分岐
命令の上位１６ビットを生成する。

【００４６】なお、上記予測が的中しなかった場合に
は、このクロックサイクル３の後半（３ａ）において、
命令実行器１５及び命令フェッチ器１２によるペナルテ
ィ処理（命令レジスタ１３に転送された命令の無効化及
び実行結果に基づく本来の分岐先命令のフェッチ）が行
われる。（４）ＭＥＭステージクロックサイクル４において、分岐命令更新器１８は、
分岐履歴情報生成器１６及び分岐予測情報生成器１７か
ら分岐予測情報２０ｂ及び分岐履歴情報２０ｃの少なく
とも一つを「更新した」旨の通知を受けていた場合に
は、直前のクロックサイクル３ｂにおいて生成しておい
た分岐命令（の上位１６ビット部分）を、実行用命令カ
ウンタ１０ｃに格納されている実行アドレスが示すキャ
ッシュメモリ１１ａ（又はメインメモリ９）上の分岐命
令に上書きする。

【００４７】このようにして更新されたキャッシュメモ
リ１１ａ上の分岐命令を含むキャッシュブロックは、キ
ャッシュメモリ１１ａから消去される前に、キャッシュ
コントローラ１１ｃによって対応するメインメモリ９上
の位置に書き込まれる。これによって、再びこの分岐命
令がメインメモリ９から読み出されて実行される場合で
あっても、この分岐命令に含まれた分岐予測情報２０ｂ
と分岐履歴情報２０ｃは、過去の分岐結果に基づく有効
な情報であることが保証される。

【００４８】以上のようにして、本装置１００では、分
岐命令ごとの分岐履歴情報と分岐予測情報は、専用の記
憶テーブルではなく、その分岐命令自体に保持される。
従って、複数の分岐命令についての分岐履歴情報や分岐
予測情報を情報処理装置１００の内部に固定的に備える
場合に比べ、情報処理装置１００に必要とされるハード
ウェアの規模は少なくて済む。

【００４９】また、本装置１００では、分岐命令は、１
ビットの分岐予測情報だけでなく、複数回の分岐結果に
ついての要約を示す２ビットの分岐履歴情報を有し、こ
の分岐履歴情報と直前の分岐結果とに基づいてヒステリ
シスを有する分岐予測が行われる。従って、１ビットの
分岐予測情報だけに基づく分岐予測の場合に比べ、単に
予測的中率が高くなるだけでなく、例外的に発生する分
岐による悪影響を受けにくい確実な分岐予測が行われ
る。

【００５０】なお、本実施形態では、メインメモリ９は
ＤＲＡＭ等でありキャッシュメモリ１１ａはＳＲＡＭ等
からなるとしたが、本発明はこれらに限定されるもので
はない。例えば、メインメモリ９はハードディスク等の
不揮発性の記憶装置であってもよい。これによって、装
置の電源が切断された場合であっても、それまでの実行
結果に基づく分岐予測情報２０ｂ及び分岐履歴情報２０
ｃはハードディスク等に保存されているので、次の再実
行時には、もはや分岐履歴情報を蓄積することなく有効
な分岐予測が開始される。（変形例１）次に、上記実施形態の情報処理装置１００
の変形例を示す。

【００５１】上記実施形態では、図６に示されるよう
に、分岐予測情報は、分岐履歴情報が「多い」から「極
めて多い」に遷移した場合にのみ「成立」に設定され、
分岐履歴情報が「少ない」から「極めて少ない」に遷移
した場合にのみ「不成立」に設定された。これを、図１
０の状態遷移図における遷移矢印線３１ａ、３１ｂに添
付して記載されているように、分岐予測情報は分岐履歴
情報が「極めて多い」に滞留することになった場合（即
ち、分岐履歴情報が「極めて多い」である分岐命令の実
行結果が「成立」となった場合）にのみ「成立」に設定
され、分岐履歴情報が「極めて少ない」に滞留すること
になった場合（即ち、分岐履歴情報が「極めて少ない」
である分岐命令の実行結果が「不成立」となった場合）
にのみ「不成立」に設定され、他の遷移の場合には変化
しない、という更新アルゴリズムに変形することができ
る。これは、分岐予測情報生成器１７を構成する組み合
わせ論理回路における結線を変更することで容易に実現
することができる。

【００５２】この変形例１は、図６と図１０を比較して
判るように、上述のヒステリシスの度合を上記実施形態
の場合よりも強くした場合に相当する。つまり、実際に
生じる分岐結果の成否のばらつきに対して分岐予測情報
が変化しにくくなっている。これによって、分岐予測情
報の乱れを強く抑止したいシステムや、分岐予測情報の
変化を好まないシステム、例えば、実行時の動的な事象
よりも静的な情報によって決まる初期値をできるだけ維
持したいようなシステムに好適な情報処理装置が実現さ
れる。（変形例２）また、上記実施形態では、分岐履歴情報は
２ビットであったが、これを１ビットに変形することも
容易である。

【００５３】図１１は、分岐履歴情報を１ビットとした
場合における分岐履歴情報の更新アルゴリズムを示す状
態遷移図である。分岐履歴情報は「多い」と「少ない」
のいずれかの状態に属し、各状態はこの分岐命令の直前
の実行結果がそれぞれ「成立」、「不成立」だったこと
を示す。分岐予測情報は、遷移矢印線３２ａに添付して
記載されているように、分岐履歴情報が「多い」に滞留
することになった場合（即ち、分岐履歴情報が「多い」
である分岐命令の実行結果が成立となった場合）にのみ
「成立」に設定され、また、遷移矢印線３２ｂに添付し
て記載されているように、分岐履歴情報が「少ない」に
滞留することになった場合（即ち、分岐履歴情報が「少
ない」である分岐命令の実行結果が不成立となった場
合）にのみ「不成立」に設定され、他の遷移の場合には
変化しない。従って、分岐予測情報は、分岐命令の実行
結果が成立と不成立を繰り返している場合には変化しな
いが、同一結果が連続した場合にはその結果に対応する
値に設定されることになる。

【００５４】このような変形例２は、実施形態の分岐履
歴情報生成器１６及び分岐予測情報生成器１７における
論理回路を削減し、結線を変更することで容易に実現す
ることができる可能であるのは言うまでもない。この変
形例２は、図６と図１１を比較して判るように、上述の
ヒステリシスの度合を弱くした場合に相当する。つま
り、上記実施形態の場合に比べ、分岐予測情報の変化は
分岐履歴情報の変化に敏感となる。これによって、上記
実施形態の情報処理装置１００に比べ、プログラムの実
行結果に敏感な、即ち、例外処理が多発するリアルタイ
ム性の強いシステムに好適な情報処理装置が実現され
る。

【００５５】また、この変形例２では、分岐履歴情報は
１ビットで済むので、コードサイズが縮小化されたり、
命令セットを定義（オペコードのマッピング）する場合
における自由度が増す。（変形例３）上記実施形態及び２つの変形例は、過去の
分岐結果についての統計的要約である分岐履歴情報を有
する分岐命令を実行する情報処理装置であったが、これ
を、過去の分岐ごとに対応するビットの集合からなる分
岐履歴情報を有する分岐命令を実行する情報処理装置に
変形することも容易である。

【００５６】つまり、上記実施形態の情報処理装置１０
０における分岐履歴情報生成器１６及び分岐予測情報生
成器１７の機能（入出力変換アルゴリズム）を変更する
ことにより、当該分岐命令の過去の複数回の実行結果を
そのまま示すビットの集まりを分岐履歴情報として保持
する分岐命令を実行する情報処理装置が実現される。図
１２は、変形例３に係る情報処理装置の分岐履歴情報生
成器及び分岐予測情報生成器による更新アルゴリズムを
示す真理値表であり、上記実施形態における図３に対応
する。

【００５７】この変形例３においては、上記実施形態と
異なり、分岐命令が有する２ビットの分岐履歴情報２０
ｃは、下位ビットＨ0が当該分岐命令の直前の実行結果
をし（「１」は「成立」、「０」は「不成立」を示
す）、上位ビットＨ1が当該分岐命令の２回前の実行結
果を示す。この変形例３の分岐履歴情報生成器は、２ビ
ットのキューバッファであり、命令実行器１５から新た
な実行結果Ｘが通知されると、それまで保持していた２
ビットＨ1Ｈ0を上位方向へシフトさせながら、その新た
な実行結果Ｘを下位ビットＮ0に入力することで、新た
な分岐履歴情報Ｎ1Ｎ0を生成する。

【００５８】また、変形例３の分岐予測情報生成器は、
原則として、分岐命令が実行される直前の２ビットの分
岐履歴情報Ｈ1Ｈ0と命令実行器１５から通知される実行
結果Ｘとを合わせた合計３ビットの値のうち多い論理値
（例えば、Ｈ1Ｈ0＝０１でＸ＝１の場合には「１」）を
新たな分岐予測情報Ｆとして生成し、例外として、それ
ら３ビットＨ1Ｈ0Ｘが交互に反転する論値値をとる場合
にのみ、その反転が継続するような論理値（Ｈ1Ｈ0Ｘ＝
０１０の場合には「１」、Ｈ1Ｈ0Ｘ＝１０１の場合には
「０」）を新たな分岐予測情報Ｆとして生成する。これ
は、原則として過去３回の実行結果における多いほうの
結果（「成立」又は「不成立」）を次の分岐予測として
採用するが、過去３回の実行結果が「成立」と「不成
立」とを交互に繰り返している場合に限り、例外とし
て、その繰り返しが継続されるものとして分岐予測す
る、ことを意味する。

【００５９】図１３は、変形例３における分岐履歴情報
及び分岐予測情報の更新アルゴリズムを示す状態遷移図
である。本図は、上記実施形態における図６に対応する
が、遷移矢印線に添付記載されている数値は、その遷移
を引き起こす原因（即ち、その分岐命令の実行結果Ｘの
値）と、その遷移に伴って分岐予測情報生成器から出力
される新たな分岐予測情報の値とを示す。

【００６０】例えば、いま、分岐履歴情報２０ｃが「０
０」で分岐予測情報２０ｂが「０」である分岐命令２０
が繰り返し実行されるとする。すると、第１回目の実行
結果が分岐成立であった（的中しなかった）場合には、
分岐履歴情報２０ｃは「０１」に更新され、分岐予測情
報２０ｂは「０」に設定される（変化しない）。

【００６１】第２回目の実行結果が分岐不成立であった
（的中した）場合には、分岐履歴情報２０ｃは「１０」
に更新され、分岐予測情報２０ｂは「１」に変更され
る。第３回目の実行結果が分岐成立であった（的中し
た）場合には、分岐履歴情報２０ｃは「０１」に更新さ
れ、分岐予測情報２０ｂは「０」に変更される。第４回
目の実行結果が分岐不成立であった（的中した）場合に
は、分岐履歴情報２０ｃは「１０」に更新され、分岐予
測情報２０ｂは「１」に変更される。

【００６２】このように、変形例３に係る情報処理装置
によれば、原則的には過去の分岐結果に基づいて分岐予
測が行われるが、分岐の成立と不成立が交互に繰り返さ
れる場合においては、上記実施形態と異なり、そのトグ
ル現象が繰り返されるものとして分岐予測が行われるの
で、そのような特殊なプログラムの流れであっても分岐
予測が的中する。

【００６３】以上、本発明に係る情報処理装置につい
て、１つの実施形態と３つの変形例とを示したが、本発
明はこれらに限定されるものではない。分岐予測情報を
決定するための条件（分岐履歴情報の値と分岐結果との
組み合わせ）、分岐履歴情報を更新するアルゴリズム、
分岐履歴情報のビット数等について、とり得る値を組み
合わせることで他の変形例も容易になすことができるの
は言うまでもない。

【００６４】例えば、分岐履歴情報として、さらに深い
分岐履歴の要約を８段階で示す３ビットを割り当てるこ
ともできる。これによって、さらに的中率が高くきめ細
かい分岐予測を行うことが可能となる。但し、１個の分
岐命令に占める分岐予測のためのビット数を多くした場
合には、命令セットを定義する場合における自由度等に
おいて犠牲を払う必要があるため、これらのビット数は
予測的中率と装備すべき命令の種類とのトレードオフか
ら決定する必要がある。

【００６５】また、上記実施形態及び変形例の構成要素
は、全て論理回路で実現されることを前提に説明した
が、本発明は、ハードウェアによってのみ実現されるの
ではなく、ソフトウェアによっても実現できることは言
うまでもない。具体的には、上記実施形態の情報処理装
置１００の構成要素のうち、命令や数値を格納する記憶
手段９、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１３、１０ａ〜１０
ｃ等を変数やデータ領域に割当て、残る制御手段８、１
１ｃ、１２、１４〜１９等の機能をプログラミング言語
を用いて記述すればよい。これによって、本発明に係る
情報処理装置は、汎用のコンピュータシステムで実行さ
れるシミュレーションプログラムや仮想マシンとして実
現されることになる。そのような本発明に係る情報処理
装置を実現するためのプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の
記録媒体に格納して配布・流通され得る。

【００６６】さらに、上記実施形態や変形例における分
岐命令は、図１４に示された従来の命令フォーマットと
異なり、例えば図２に示された命令フォーマットの如
く、分岐履歴情報という本発明に固有の情報を有してい
る。かかる特徴的な構造を有する分岐命令は本発明に固
有であり、また、そのような分岐命令を含む命令群（プ
ログラム）は、上記プログラムと同様に、フロッピーデ
ィスク等の記録媒体や通信回線等を介して配布・流通さ
れ得ることは言うまでもない。

【００６７】

【発明の効果】上記目的を達成するために、本発明に係
る情報処理装置は、命令を逐次実行する情報処理装置で
あって、分岐の成否を予測する分岐予測情報と過去の分
岐結果についての情報を示す分岐履歴情報とを有する分
岐命令を含む命令群を予め記憶する記憶手段と、前記記
憶手段から次に実行すべき命令を読み出す命令フェッチ
手段と、読み出された命令が前記分岐命令であるか否か
解読する命令解読手段と、前記命令が分岐命令であると
解読された場合に、その分岐命令の分岐予測情報に基づ
いて次に実行すべき命令を読み出すよう前記命令フェッ
チ手段を制御する命令フェッチ制御手段と、解読された
前記分岐命令を実行する実行手段と、前記分岐命令が実
行された際の分岐結果とその分岐命令に含まれていた分
岐履歴情報とに基づいて新たな分岐予測情報を生成する
分岐予測情報生成手段と、前記分岐命令が実行された際
の分岐結果とその分岐命令に含まれていた分岐履歴情報
とに基づいて新たな分岐履歴情報を生成する分岐履歴情
報生成手段と、前記記憶手段に格納された前記分岐命令
の分岐予測情報と分岐履歴情報とを前記分岐予測情報生
成手段によって生成された分岐予測情報と前記分岐履歴
情報生成手段によって生成された分岐履歴情報とに更新
する分岐命令更新手段とを備えることを特徴とする。

【００６８】つまり、本発明に係る情報処理装置では、
分岐命令の中に分岐予測情報だけでなく過去の分岐結果
を示す分岐履歴情報も含まれている。そして、分岐命令
が実行された場合には、その実行結果だけでなく、当該
分岐命令に含まれていた分岐履歴情報も考慮されて当該
分岐命令の分岐予測情報及び分岐履歴情報が更新され
る。

【００６９】従って、直前の１回の実行結果だけでな
く、さらに前の実行結果に基づく命令の先取りが行われ
るので、従来よりも高い的中率の分岐予測が実現され
る。また、これら分岐予測情報及び分岐履歴情報は、分
岐予測テーブルとして情報処理装置の内部に固定的に置
かれるのではなく、記憶手段に格納された分岐命令自体
に置かれるので、この分岐予測を実現するために情報処
理装置に必要とされるハードウェア規模は小さくて済
む。

【００７０】ここで、前記分岐履歴情報は、その分岐履
歴情報を有する分岐命令についての過去の複数の分岐結
果に関する要約であるとすることもできる。これによっ
て、分岐履歴情報は、少ないビット数でより過去の分岐
結果を反映させることが可能になると共に、直前の例外
的な分岐結果の影響による分岐予測の乱れ（的中率の低
下）が防止され、より過去の分岐結果をも考慮した大局
的な分岐予測が行われる。

【００７１】例えば、前記分岐履歴情報は、前記分岐命
令について過去に分岐が成立した頻度が「極めて多
い」、「多い」、「少ない」、「極めて少ない」のいず
れかを示し、前記分岐履歴情報生成手段は、前記分岐命
令に含まれていた分岐履歴情報が「極めて少ない」、
「少ない」、「多い」のいずれかを示し、かつ、前記分
岐結果が「成立」である場合には、それぞれ「少な
い」、「多い」、「極めて多い」を示す新たな分岐履歴
情報を生成し、前記分岐命令に含まれていた分岐履歴情
報が「極めて多い」、「多い」、「少ない」のいずれか
を示し、かつ、前記分岐結果が「不成立」である場合に
は、それぞれ「多い」、「少ない」、「極めて少ない」
を示す新たな分岐履歴情報を生成するとすることもでき
る。

【００７２】これによって、例えば、わずか２ビットの
分岐履歴情報によって３回以上の分岐結果についての統
計的要約を示すことも可能となる。また、前記予測情報
更新手段は、前記分岐履歴情報が「多い」を示し、か
つ、前記分岐結果が「成立」である場合にのみ、「成
立」を示す新たな分岐予測情報を生成し、前記分岐履歴
情報が「少ない」を示し、かつ、前記分岐結果が「不成
立」である場合にのみ「不成立」を示す新たな分岐予測
情報を生成するとすることもできる。

【００７３】これによって、分岐結果の履歴と分岐予測
情報との関係においてヒステリシスを有する分岐予測が
行われるので、１ビットの分岐予測情報だけに基づく分
岐予測の場合に比べ、予測的中率が高くなるだけでな
く、分岐の成立と不成立を短い周期で繰り返すことによ
る分岐予測の乱れが防止される。また、前記分岐命令更
新手段は、前記分岐予測情報生成手段によって生成され
た分岐予測情報と前記分岐履歴情報生成手段によって生
成された分岐履歴情報とを含む新たな分岐命令を生成
し、その分岐命令を前記記憶手段の該当箇所に上書きす
るものであり、前記該当箇所とは、前記新たな分岐命令
が生成される元となった分岐命令が記憶されていた位置
であるとすることもできる。

【００７４】これによって、分岐命令の分岐予測情報や
分岐履歴情報は、その分岐命令ごと（それら分岐予測情
報及び分岐履歴情報情報を除く分岐命令の他のビットと
共に）更新されるので、対象となる分岐命令を記憶手段
から読み出して変更した後に書き戻すという手順に比較
し、短い手順で分岐予測情報及び分岐履歴情報が更新さ
れる。

【００７５】また、前記記憶手段は、前記命令群を格納
する主記憶部と、前記主記憶部に格納された命令群の一
部についての複写を記憶するキャッシュ記憶部と、前記
キャッシュ記憶部の内容が書き換えられた場合に、その
変更を前記主記憶部の内容にも反映させるキャッシュ制
御手段とを含み、前記命令フェッチ手段は前記キャッシ
ュ記憶部から前記命令を読み出し、前記分岐命令更新手
段は、前記キャッシュ記憶部に記憶された分岐命令の分
岐予測情報及び分岐履歴情報を更新するとすることもで
きる。

【００７６】これによって、本発明に係る情報処理装置
は高速にアクセスできるキャッシュメモリ上の分岐命令
を更新するだけで済むので、実行速度が速くなる。ま
た、前記予測情報更新手段は、前記分岐履歴情報が「極
めて多い」を示し、かつ、前記分岐結果が「成立」であ
る場合にのみ、「成立」を示す新たな分岐予測情報を生
成し、前記分岐履歴情報が「極めて少ない」を示し、か
つ、前記分岐結果が「不成立」である場合にのみ「不成
立」を示す新たな分岐予測情報を生成するとすることも
できる。

【００７７】これによって、上記ヒステリシスの度合が
より強くなるので、分岐予測の乱れを強く抑止したいシ
ステムのプログラムに好適な情報処理装置が実現され
る。また、前記分岐履歴情報は、前記分岐命令について
過去に分岐が成立した頻度が「多い」又は「少ない」を
示したり、前記分岐履歴情報生成手段は、前記分岐命令
に含まれていた分岐履歴情報が「少ない」を示し、か
つ、前記分岐結果が「成立」である場合にのみ、「多
い」を示す新たな分岐履歴情報を生成し、前記分岐命令
に含まれていた分岐履歴情報が「多い」を示し、かつ、
前記分岐結果が「不成立」である場合にのみ、「少な
い」を示す新たな分岐履歴情報を生成するとしたり、前
記予測情報更新手段は、前記分岐履歴情報が「多い」を
示し、かつ、前記分岐結果が「成立」である場合にの
み、「成立」を示す新たな分岐予測情報を生成し、前記
分岐履歴情報が「少ない」を示し、かつ、前記分岐結果
が「不成立」である場合にのみ「不成立」を示す新たな
分岐予測情報を生成するとすることもできる。

【００７８】これによって、上記ヒステリシスの度合が
より弱くなるので、プログラムの実行結果に敏感な分岐
予測、即ち、動的な分岐予測が可能になると共に、分岐
履歴情報は少ないビット数で済むので、命令セットを定
義する場合における自由度が増す。また、前記分岐履歴
情報は、その分岐履歴情報を有する分岐命令についての
過去の分岐ごとの分岐結果を示すとすることもできる。

【００７９】例えば、前記分岐履歴情報は、直前及び２
回前の分岐結果を示す２ビットであり、前記分岐履歴情
報生成手段は、前記分岐命令が実行された際の分岐結果
を用いて新たな分岐履歴情報を生成するとすることもで
きる。これによって、過去の複数の分岐結果の要約では
なく、最新の連続する個々の分岐結果に基づく分岐予測
が行われるので、例外的な分岐結果をも考慮した緻密な
分岐予測を行う情報処理装置が実現される。

【００８０】さらに、本発明は、ハードウェアによって
実現されるだけでなく、ソフトウェアによっても実現さ
れる。つまり、分岐予測して命令を先読みするマイクロ
プロセッサの動作をシミュレーションするプログラムが
記録された記録媒体であって、前記プログラムは、分岐
の成否を予測する分岐予測情報と過去の分岐結果につい
ての情報を示す分岐履歴情報とを有する分岐命令を含む
命令群を予め記憶する記憶手段から、次に実行すべき命
令を読み出す命令フェッチステップと、読み出された命
令が前記分岐命令であるか否か解読する命令解読ステッ
プと、前記命令が分岐命令であると解読された場合に、
その分岐命令の分岐予測情報に基づいて次に実行すべき
命令を読み出す分岐予測ステップと、解読された前記分
岐命令を実行する実行ステップと、前記分岐命令が実行
された際の分岐結果とその分岐命令に含まれていた分岐
履歴情報とに基づいて新たな分岐予測情報を生成する分
岐予測情報生成ステップと、前記分岐命令が実行された
際の分岐結果とその分岐命令に含まれていた分岐履歴情
報とに基づいて新たな分岐履歴情報を生成する分岐履歴
情報生成ステップと、前記記憶手段に格納された前記分
岐命令の分岐予測情報と分岐履歴情報とを前記分岐予測
情報生成ステップによって生成された分岐予測情報と前
記分岐履歴情報生成ステップによって生成された分岐履
歴情報とに更新する分岐命令更新ステップとをコンピュ
ータに実行させることを特徴とする記録媒体とすること
もできる。

【００８１】さらに、コンピュータによって実行される
命令群が記録された記録媒体であって、前記命令群に
は、分岐の成否を予測する分岐予測情報と過去の分岐結
果についての情報を示す分岐履歴情報とを有する分岐命
令が含まれ、前記分岐予測情報は、その分岐予測情報を
有する分岐命令が前記コンピュータによって最後に実行
された際の分岐結果と分岐履歴情報とに基づいて生成さ
れた値であり、前記分岐履歴情報は、その分岐履歴情報
を有する分岐命令が前記コンピュータによって最後に実
行された際の分岐結果と分岐履歴情報とに基づいて生成
された値であり、その分岐命令についての過去の複数の
分岐結果に関する要約であることを特徴とする記録媒体
としたり、コンピュータによって実行される命令群が記
録された記録媒体であって、前記命令群には、分岐の成
否を予測する分岐予測情報と過去の分岐結果についての
情報を示す分岐履歴情報とを有する分岐命令が含まれ、
前記分岐予測情報は、その分岐予測情報を有する分岐命
令が前記コンピュータによって最後に実行された際の分
岐結果と分岐履歴情報とに基づいて生成された値であ
り、前記分岐履歴情報は、その分岐履歴情報を有する分
岐命令が前記コンピュータによって最後に実行された際
の分岐結果と分岐履歴情報とに基づいて生成された値で
あり、その分岐命令についての過去の分岐ごとの分岐結
果を示すことを特徴とする記録媒体とすることもでき
る。

【００８２】これによって、上記第２の目的が達成され
る。以上のように、本発明により、小規模なハードウェ
ア又はソフトウェアで実現され、かつ、高い的中率の分
岐予測を行う高機能なマイクロプロセッサや仮想マシン
等が実現され、その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る情報処理装置の構成を示すブロッ
ク図である。

【図２】本発明に係る分岐命令のフォーマットを示す図
である。

【図３】同情報処理装置の分岐履歴情報生成器１６及び
分岐予測情報生成器１７の入出力関係を示す真理値表で
ある。

【図４】同分岐履歴情報生成器１６の詳細な回路図であ
る。

【図５】同分岐予測情報生成器１７の詳細な回路図であ
る。

【図６】同分岐命令の分岐履歴情報及び分岐予測情報の
更新アルゴリズムを示す状態遷移図である。

【図７】同情報処理装置の分岐命令更新器１８の詳細な
構成を示すブロック図である。

【図８】同分岐命令の分岐予測情報、分岐履歴情報及び
分岐結果の関係を示すグラフである。

【図９】同情報処理装置におけるパイプライン処理の流
れを示す図である。

【図１０】同情報処理装置の変形例１に係る分岐命令の
分岐履歴情報及び分岐予測情報の更新アルゴリズムを示
す状態遷移図である。

【図１１】同情報処理装置の変形例２に係る分岐命令の
分岐履歴情報及び分岐予測情報の更新アルゴリズムを示
す状態遷移図である。

【図１２】同情報処理装置の変形例３に係る分岐命令の
分岐履歴情報及び分岐予測情報の更新アルゴリズムを示
す真理値表である。

【図１３】同変形例３に係る分岐命令の分岐履歴情報及
び分岐予測情報の更新アルゴリズムを示す状態遷移図で
ある。

【図１４】従来の分岐命令のフォーマットを示す図であ
る。

【符号の説明】

８アドレス制御器９メインメモリ１０プログラムカウンタ群１０ａフェッチ用命令カウンタ１０ｂ解読用命令カウンタ１０ｃ実行用命令カウンタ１１キャッシュユニット１１ａキャッシュメモリ１１ｂタグメモリ１１ｃキャッシュコントローラ１２命令フェッチ器１２ａ命令バッファ１３命令レジスタ１４命令解読器１５命令実行器１６分岐履歴情報生成器１７分岐予測情報生成器１８分岐命令更新器１８ａ分岐命令記憶部１８ｂ更新判断部１８ｃ命令生成部１８ｄアドレスゲート部１９アドレス生成器２０分岐命令２０ａオペコード２０ｂ分岐予測情報２０ｃ分岐履歴情報２０ｄ分岐先アドレス１００情報処理装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】命令を逐次実行する情報処理装置であっ
て、分岐の成否を予測する分岐予測情報と過去の分岐結果に
ついての情報を示す分岐履歴情報とを有する分岐命令を
含む命令群を予め記憶する記憶手段と、前記記憶手段から次に実行すべき命令を読み出す命令フ
ェッチ手段と、読み出された命令が前記分岐命令であるか否か解読する
命令解読手段と、前記命令が分岐命令であると解読された場合に、その分
岐命令の分岐予測情報に基づいて次に実行すべき命令を
読み出すよう前記命令フェッチ手段を制御する命令フェ
ッチ制御手段と、解読された前記分岐命令を実行する実行手段と、前記分岐命令が実行された際の分岐結果とその分岐命令
に含まれていた分岐履歴情報とに基づいて新たな分岐予
測情報を生成する分岐予測情報生成手段と、前記分岐命令が実行された際の分岐結果とその分岐命令
に含まれていた分岐履歴情報とに基づいて新たな分岐履
歴情報を生成する分岐履歴情報生成手段と、前記記憶手段に格納された前記分岐命令の分岐予測情報
と分岐履歴情報とを前記分岐予測情報生成手段によって
生成された分岐予測情報と前記分岐履歴情報生成手段に
よって生成された分岐履歴情報とに更新する分岐命令更
新手段とを備えることを特徴とする情報処理装置。
【請求項２】前記分岐履歴情報は、その分岐履歴情報
を有する分岐命令についての過去の複数の分岐結果に関
する要約であることを特徴とする請求項１記載の情報処
理装置。
【請求項３】前記分岐履歴情報は、前記分岐命令につ
いて過去に分岐が成立した頻度が「極めて多い」、「多
い」、「少ない」、「極めて少ない」のいずれかを示す
ことを特徴とする請求項２記載の情報処理装置。
【請求項４】前記分岐履歴情報生成手段は、前記分岐命令に含まれていた分岐履歴情報が「極めて少
ない」、「少ない」、「多い」のいずれかを示し、か
つ、前記分岐結果が「成立」である場合には、それぞれ
「少ない」、「多い」、「極めて多い」を示す新たな分
岐履歴情報を生成し、前記分岐命令に含まれていた分岐履歴情報が「極めて多
い」、「多い」、「少ない」のいずれかを示し、かつ、
前記分岐結果が「不成立」である場合には、それぞれ
「多い」、「少ない」、「極めて少ない」を示す新たな
分岐履歴情報を生成することを特徴とする請求項３記載
の情報処理装置。
【請求項５】前記予測情報更新手段は、前記分岐履歴情報が「多い」を示し、かつ、前記分岐結
果が「成立」である場合にのみ、「成立」を示す新たな
分岐予測情報を生成し、前記分岐履歴情報が「少ない」を示し、かつ、前記分岐
結果が「不成立」である場合にのみ「不成立」を示す新
たな分岐予測情報を生成することを特徴とする請求項４
記載の情報処理装置。
【請求項６】前記分岐命令更新手段は、前記分岐予測
情報生成手段によって生成された分岐予測情報と前記分
岐履歴情報生成手段によって生成された分岐履歴情報と
を含む新たな分岐命令を生成し、その分岐命令を前記記
憶手段の該当箇所に上書きするものであり、前記該当箇
所とは、前記新たな分岐命令が生成される元となった分
岐命令が記憶されていた位置であることを特徴とする請
求項５記載の情報処理装置。
【請求項７】前記記憶手段は、前記命令群を格納する主記憶部と、前記主記憶部に格納された命令群の一部についての複写
を記憶するキャッシュ記憶部と、前記キャッシュ記憶部の内容が書き換えられた場合に、
その変更を前記主記憶部の内容にも反映させるキャッシ
ュ制御手段とを含み、前記命令フェッチ手段は前記キャッシュ記憶部から前記
命令を読み出し、前記分岐命令更新手段は、前記キャッシュ記憶部に記憶
された分岐命令の分岐予測情報及び分岐履歴情報を更新
することを特徴とする請求項６記載の情報処理装置。
【請求項８】前記予測情報更新手段は、前記分岐履歴情報が「極めて多い」を示し、かつ、前記
分岐結果が「成立」である場合にのみ、「成立」を示す
新たな分岐予測情報を生成し、前記分岐履歴情報が「極めて少ない」を示し、かつ、前
記分岐結果が「不成立」である場合にのみ「不成立」を
示す新たな分岐予測情報を生成することを特徴とする請
求項４記載の情報処理装置。
【請求項９】前記分岐命令更新手段は、前記分岐予測
情報生成手段によって生成された分岐予測情報と前記分
岐履歴情報生成手段によって生成された分岐履歴情報と
を含む新たな分岐命令を生成し、その分岐命令を前記記
憶手段の該当箇所に上書きし、前記該当箇所とは、前記
新たな分岐命令が生成される元となった分岐命令が記憶
されていた位置であることを特徴とする請求項８記載の
情報処理装置。
【請求項１０】前記記憶手段は、前記命令群を格納する主記憶部と、前記主記憶部に格納された命令群の一部についての複写
を記憶するキャッシュ記憶部と、前記キャッシュ記憶部の内容が書き換えられた場合に、
その変更を前記主記憶部の内容にも反映させるキャッシ
ュ制御手段とを含み、前記命令フェッチ手段は前記キャッシュ記憶部から前記
命令を読み出し、前記分岐命令更新手段は、前記キャッシュ記憶部に記憶
された分岐命令の分岐予測情報及び分岐履歴情報を更新
することを特徴とする請求項９記載の情報処理装置。
【請求項１１】前記分岐履歴情報は、前記分岐命令に
ついて過去に分岐が成立した頻度が「多い」又は「少な
い」を示すことを特徴とする請求項２記載の情報処理装
置。
【請求項１２】前記分岐履歴情報生成手段は、前記分岐命令に含まれていた分岐履歴情報が「少ない」
を示し、かつ、前記分岐結果が「成立」である場合にの
み、「多い」を示す新たな分岐履歴情報を生成し、前記分岐命令に含まれていた分岐履歴情報が「多い」を
示し、かつ、前記分岐結果が「不成立」である場合にの
み、「少ない」を示す新たな分岐履歴情報を生成するこ
とを特徴とする請求項１１記載の情報処理装置。
【請求項１３】前記予測情報更新手段は、前記分岐履歴情報が「多い」を示し、かつ、前記分岐結
果が「成立」である場合にのみ、「成立」を示す新たな
分岐予測情報を生成し、前記分岐履歴情報が「少ない」を示し、かつ、前記分岐
結果が「不成立」である場合にのみ「不成立」を示す新
たな分岐予測情報を生成することを特徴とする請求項１
２記載の情報処理装置。
【請求項１４】前記分岐命令更新手段は、前記分岐予
測情報生成手段によって生成された分岐予測情報と前記
分岐履歴情報生成手段によって生成された分岐履歴情報
とを含む新たな分岐命令を生成し、その分岐命令を前記
記憶手段の該当箇所に上書きし、前記該当箇所とは、前
記新たな分岐命令が生成される元となった分岐命令が記
憶されていた位置であることを特徴とする請求項１３記
載の情報処理装置。
【請求項１５】前記記憶手段は、前記命令群を格納する主記憶部と、前記主記憶部に格納された命令群の一部についての複写
を記憶するキャッシュ記憶部と、前記キャッシュ記憶部の内容が書き換えられた場合に、
その変更を前記主記憶部の内容にも反映させるキャッシ
ュ制御手段とを含み、前記命令フェッチ手段は前記キャッシュ記憶部から前記
命令を読み出し、前記分岐命令更新手段は、前記キャッシュ記憶部に記憶
された分岐命令の分岐予測情報及び分岐履歴情報を更新
することを特徴とする請求項１４記載の情報処理装置。
【請求項１６】前記分岐履歴情報は、その分岐履歴情
報を有する分岐命令についての過去の分岐ごとの分岐結
果を示すことを特徴とする請求項１記載の情報処理装
置。
【請求項１７】前記分岐履歴情報は、直前及び２回前
の分岐結果を示す２ビットであり、前記分岐履歴情報生成手段は、前記分岐命令が実行され
た際の分岐結果を用いて新たな分岐履歴情報を生成する
ことを特徴とする請求項１６記載の情報処理装置。
【請求項１８】前記予測情報更新手段は、前記分岐命
令が実行された際の分岐結果と、その分岐命令に含まれ
ていた直前及び２回前の分岐結果とが、それぞれ、「成
立」、「不成立」、「成立」である場合には「不成立」
を示す新たな分岐予測情報を生成し、「不成立」、「成
立」、「不成立」である場合には「成立」を示す新たな
分岐予測情報を生成することを特徴とする請求項１７記
載の情報処理装置。
【請求項１９】前記分岐命令更新手段は、前記分岐予
測情報生成手段によって生成された分岐予測情報と前記
分岐履歴情報生成手段によって生成された分岐履歴情報
とを含む新たな分岐命令を生成し、その分岐命令を前記
記憶手段の該当箇所に上書きし、前記該当箇所とは、前
記新たな分岐命令が生成される元となった分岐命令が記
憶されていた位置であることを特徴とする請求項１８記
載の情報処理装置。
【請求項２０】前記記憶手段は、前記命令群を格納する主記憶部と、前記主記憶部に格納された命令群の一部についての複写
を記憶するキャッシュ記憶部と、前記キャッシュ記憶部の内容が書き換えられた場合に、
その変更を前記主記憶部の内容にも反映させるキャッシ
ュ制御手段とを含み、前記命令フェッチ手段は前記キャッシュ記憶部から前記
命令を読み出し、前記分岐命令更新手段は、前記キャッシュ記憶部に記憶
された分岐命令の分岐予測情報及び分岐履歴情報を更新
することを特徴とする請求項１９記載の情報処理装置。
【請求項２１】分岐予測して命令を先読みするマイク
ロプロセッサの動作をシミュレーションするプログラム
が記録された記録媒体であって、前記プログラムは、分岐の成否を予測する分岐予測情報と過去の分岐結果に
ついての情報を示す分岐履歴情報とを有する分岐命令を
含む命令群を予め記憶する記憶手段から、次に実行すべ
き命令を読み出す命令フェッチステップと、読み出された命令が前記分岐命令であるか否か解読する
命令解読ステップと、前記命令が分岐命令であると解読された場合に、その分
岐命令の分岐予測情報に基づいて次に実行すべき命令を
読み出す分岐予測ステップと、解読された前記分岐命令を実行する実行ステップと、前記分岐命令が実行された際の分岐結果とその分岐命令
に含まれていた分岐履歴情報とに基づいて新たな分岐予
測情報を生成する分岐予測情報生成ステップと、前記分岐命令が実行された際の分岐結果とその分岐命令
に含まれていた分岐履歴情報とに基づいて新たな分岐履
歴情報を生成する分岐履歴情報生成ステップと、前記記憶手段に格納された前記分岐命令の分岐予測情報
と分岐履歴情報とを前記分岐予測情報生成ステップによ
って生成された分岐予測情報と前記分岐履歴情報生成ス
テップによって生成された分岐履歴情報とに更新する分
岐命令更新ステップとをコンピュータに実行させること
を特徴とする記録媒体。
【請求項２２】コンピュータによって実行される命令
群が記録された記録媒体であって、前記命令群には、分岐の成否を予測する分岐予測情報と
過去の分岐結果についての情報を示す分岐履歴情報とを
有する分岐命令が含まれ、前記分岐予測情報は、その分岐予測情報を有する分岐命
令が前記コンピュータによって最後に実行された際の分
岐結果と分岐履歴情報とに基づいて生成された値であ
り、前記分岐履歴情報は、その分岐履歴情報を有する分岐命
令が前記コンピュータによって最後に実行された際の分
岐結果と分岐履歴情報とに基づいて生成された値であ
り、その分岐命令についての過去の複数の分岐結果に関
する要約であることを特徴とする記録媒体。
【請求項２３】コンピュータによって実行される命令
群が記録された記録媒体であって、前記命令群には、分岐の成否を予測する分岐予測情報と
過去の分岐結果についての情報を示す分岐履歴情報とを
有する分岐命令が含まれ、前記分岐予測情報は、その分岐予測情報を有する分岐命
令が前記コンピュータによって最後に実行された際の分
岐結果と分岐履歴情報とに基づいて生成された値であ
り、前記分岐履歴情報は、その分岐履歴情報を有する分岐命
令が前記コンピュータによって最後に実行された際の分
岐結果と分岐履歴情報とに基づいて生成された値であ
り、その分岐命令についての過去の分岐ごとの分岐結果
を示すことを特徴とする記録媒体。