TW295646B - - Google Patents

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經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 、發明説明（ 發明領域 本發明係大致有關微處理器，尤係有關在此種處理器中 對芫成的控制。 發明背景 t制相依性（control dependencies)的處理佔用了許多微處 理器大碍分的邏輯電路，也造成這些微處理器大部分的複 雜丨生 微處理器通常設有用來處理控制相依性的許多機 制，在需要不同層級的岔斷精確度時（例如，浮點产常狀 況的起動/抑制），這些機制必須以極端不同的方式運作， 而2到不同的控制。例如，當—RISC(精簡指令集電腦）處 ，器進入一浮點異常狀況起動模式時，此處理器必須開始 每一次發出一個指令（將導致效能的降低），因而該模式對 指令芫成的要求將大幅影響到處理器的指令派發邏輯電路 0 、在其他的處理器中，總是依照與其他指令配合的順序而 冗成浮點指令，因而使指令完成邏輯電路中之同步性過於 保守（亦即，指令完成邏輯電路的運作好像總是處於= 異常狀況起動模式中在採用指令完成緩衝區的方中 ，由於指令佇列結構的循序性質，所以不可能在單 中冗成大量的指令（例如，如果要知道指令2是否將6 成，必須先知道指令〇及1是否將要完成）。 儿 與指令完成邏輯電路相關的是指令清除邏輯+ _glnglogle)^令完成’即有—正確的控制: (C〇ntr〇l-fl〇w)決定、及一不正確的控制流程:王 此種情 -4- 良紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X2S»7公着 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) '11

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五、發明説明（2 形適用於指令分支（branches)，和十.由m ^•JL , 仁吓適用於可能引發一異 书狀況（exception)的任何指令（亦卽，古 w _ s ^ ^ u即，有—異常狀況路徑及 —非異常狀況路徑）。雖然過去# 1乐以不同的方式處理這呰 h況，但是控制流程的管理方法有所進展之後，（ 常狀況、（非同步)岔斷、及指令分支都非常類似了。’ 因此，傳統的完成控制系統包含—中央控制器，該中央 控制器包含-中央控制佇列，用以容納所有的指令。於執 行這些指令時，這些指令將把資訊送出到控制仵歹卜此中 央控制佇列然後將決定指令執行的適當順序。因爲1中央控 制仵列有若干必須控制的不同活動，^^控财列可^ 成爲程式執行時的主要瓶頸。因,匕’當控制相依性的數目 增加時，將大幅降低微處理器的整體效能。 因此，重要的是提供一種以更有效率的方式處理這些控 制相依性的系統。此種系統應當不增加微處理器的複雜性 。最後，此種系統應該是一種可以很容易利用現有微處理 器設計即可實施之系統。本發明滿足了此種需求。 發明概述 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (请先閱讀背面之注意事項存填寫本莨) 、-β 分散式完成（distribute、d completion)是一種控制指令完成 的方法’使容許同時可完成的指令數可以很多（在沒有時 序負擔的情況下），且利用單一的相關性機制處理所有形 式的控制相依性。本發揭露了一種用於微處理器的分散^ 完式控制系統。此種系統包含複數個派發單元，每—派發 單元又包含：一回應一所提取位址之派發佇列，用以接收 指令；複數個控制相依性標記；以及指示裝置，用以指示 -5 ‘紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A7

己將該等控制相依性標記指定給若干適當的指令。此系统 又σ複數個執行單元，用以接受指令及控制相依性標記 0 刀散式元私機制在—超純量（superscalar)處理器中 保持各指令間複雜的控制相依性，而不會有與大型循序佇 列結構相關聯的周期時間負擔。 附圖簡述 β 圖1是一用於微處理器的傳統完成控制系統之方塊圖。 圖2示出微處理器中控制流程決定之表。 ^ 圖3是根據本發明的—派發單元之簡化方塊圖。 圖4是一簡單程式之流程圖。 圖5是圖3所示根據本發明的派發單元之詳細方塊圖。 圖6是一可決定控制相依性資訊的邏輯電路之方塊圖， 该邏輯電路是配合根據本發明的派發單元而使用。 圖7是一包含指令清除邏輯電路的邏輯電路之方塊圖， 該邏輯電路係用於根據本發明的派發單元。 圖8是一用來更新架構暫存器的邏輯電路之方塊圖，該 邏輯電路係用於根據本梦明的派發單元。 本發明之説明 經濟部中央橾準局員工消費合作社印製 C請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂 衣發明係有關一種完成控制系統，此種完成控制系統係用來 控制一微處理器内的指令移動。下列説明的呈現方式可使 對本門技術具有一般知識者作出並使用本發明，且係在本 發明及其要求的情形下提供下列説明。熟悉本門技術者將 易於對較佳實施例作出各種修改，且亦可將本文所述的一 -6- 本紙張尺度適家標準（CNS ):4規格（2ι〇χ297公 經濟部中央裙準局員工消費合作，社印製 A7 _ B7 五、發明説明（4 ) 般性原理應用於其他的實施例。因此’本發明並不受限於 所示之實施例，而是具有最寬廣的範圍，只要其符合本文 所述的原理及特徵。 爲便於舉例説明，假設有一通用型超純量處理器，此處 理器設有若干執行單元，及多個提供指令給這些執行單元 的派發單元。並不一定要有相關的設計點（例如，可不必 顧及與多個派發單元相關聯的指令派發複雜性），而是要 有一個理論上可行的機器，而此機器具有可在不同的設計 點中發現的許多特徵。並假設多個派發單元係用來提取單 一指令執行線（thread)内的多個指令碼段落，換言之，在 各派發單元之間具有指令交付順序的要求（c〇mmissi〇n ordering requirements)。最後，可假設：可在各派發單元之 間分刻的指令碼段落之分割程度（granularity)係處於基本 區段層級，且具有控制相依性關係的各派發單元係有部分 的順序。 圖1是一根據上述假設的傳統完成控制系統（j 〇)之方塊 圖，可將此完成控制系統（1 〇)用於一微處理器中。圖】所 示的完成控制系統（ί 〇 >包含複數個用來接收指令的派發 單元（1 2 )。每一個此種派發單元（丨2 )然後將指令派發到 其適當的執行單元。在本實例中，所示之執行單元係爲若 干執行單tg(14)，而各派發單元可將信號傳送到這些執 行單元（14)。此外，每一派發單元（12)又係耦合到一中 央指令完成缓衝區（16)。這些執行單元（14)及中央指令 冗成緩衝區（1 6 )將信號傳送到寫回交付指令邏輯電路（i 8 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂

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^〇S64G 五、發明説明（5 。中央指令完成緩衝區（16)傳送_ d J得运彳5唬，而容許指令交 特定動作。傳統指令完成機制的—個共同 特徵即疋將指令完成視爲決定控制流程並交付〆指令之行 爲。在本實施例中，指令執行率典、人1 7巩仃早又限於可將指令自中央指 々元成緩衝區取出的速率。當微處理器變得更快速，且每 -周期需要處理更多的指令時，在處理此類指令時指令執 行率的此種瓶頸將成爲一大缺點。 岔 時 現在請參閲圖2，圖中示出一代表處理器中一指令所經 歷時間的表。如圖所示，指令可存在於兩種狀態，'亦即預 測式執行及非制式執行。請注意，控職程之決定係與 和令人付刀開。δ —扣令決定其將要採用的可能控制路徑 時（例如，指令分支所進行的方向、_負載是否將要被 斷）’即發生控制流程之決定。請注意，此種情形發生 係與此指令控制所依據的各指令無關。 制 是 保 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 爲便於説明本説明書，如果有—個指令Α可作出的控 流程決定，將使指令B所引發的架構狀態改變在架構上 不正確_的，則指令B在控制流程上是依賴指令A的。請 思，一般而T，控制相'依性關係是取決於機器狀態。在 證一指令的執行之後，即發生指令交付。當處理器決定— 才曰令將要被執行時，即交付該指令，亦即容許更新架構暫 存器。此種指令交付點即是預測式.執行與非預測式執行間 之分界點。在交付一指令之後，不得清除該指令。 在一根據本發明的分散式完式控制系統中，於指令派發 時將一特有的指令完成標記指定給每—指令。此外，當— -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) M規格（Mm97公楚 Α7 Β7 指令在控制流程上係與若干指令相依時，則該指令係與對 i於該等相依指令的表之指令碼完成標記表相關聯。當 經濟部中央榡準局員工消費合作杜印¾ 五、發明説明（6 應 - I·*， ·-w t ·-» Vfy _ 指令作出其控制流程決定時，該指令將其標記傳送到所有 的指令’而此標記是一清除指示碼、或一決定指示碼。如 果一指令接收到其在控制流程上相依的一指令之清除指^ 碼時，則該指令清除其本身。如* —指令接收到其在^ 流程上相依的一指令之決定指示碼時，則將該指令標示爲 已決定。當已決定一指令的所有控制相依性時，即可交付 該指令。在此種方式下，無須徵詢—中央指令完成1單元的 意見，即可將指令交付。 經由根據本發明的複數個派發單元之使用，即可在—處 理單元的設計内改變-特定指令的指令完成要求，而 且其他單元的指令完成介面應保持穩定（例如，如果一浮 點單元的設計在乘法階段中有決定_指令控制流程的時序 問喊，則只須將決定的時點移到下—周期，此時所有的連 都已在適當的位置’所以不會影響到其他的 早凡，當然，效能將會受到影響）。 :示出-可以控制-流程圖格式代表的程式碼，此控制 在-片程式碼可以接續另—片二c爲節點，然後 =二發現:當—指令有多個輸出緣時，"使用 =…處理器然後可利用控制流程資訊來決定適當 圖5是—根據本發明的派發單元⑽)之簡化方塊圖。派

. y. ' 一------------------- 一· - · --- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明説明（ A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 發早凡(_包含派發佇列⑽)，用以依據—提取位址 而自-記憶體⑽)接收指令；—控制相依性標記叫 及-指令完成標I己指定(106)。各指令及其對應的控制相 依性資訊被傳送到執行單元no r Λ 古並- 一 ）。每—派發單元（100)將 有其扣疋，...#疋指令的控制相依性標記(10句範園。此 種=式可讓每—派發單元（議)管理其本身指令完成標記 的，用及取消分配，而無須將指令完成標記傳送到任何中 央單元。 ¥ 當處理器決定自—指令追蹤多條路徑時，則處理器利用 開始提取的位址及該路徑中P指令的控制相依性標記 叫而啓動至少—個新的派發單元(100)。如果追蹤兩 條以上的，L ’則啓動其他的派發單元（⑽)(請注意，原 始的派發單元(100)可追蹤彡兩條路徑中的一條路徑）。— 旦啓動了-個派發單元(100)之後，即可處理其程式碼路 ^直到此私式碼路杈結束爲止，此時即可將該派發單元 ㈣分配給另：路徑。—旦—派發單㈣叫正在提 取的程式碼路徑被清除，即將該派^單元⑽)視爲已結 束，且在耗發單元_)的派發彳宁列中並未留有任何指 令。 {圖所τ π —派發單元（i00)被啓動肖，即將一起始位 址(:09从—起始控制相依性標記(no)授與該派發單元(1〇〇: 。提取位址（111}指定此派發單元（⑽)將要處理的程式碼 I始份址。起始控制相依性標記（^〇)即是位於起 始位址⑽）的指令之控制相依性標記。彳多種方法可實 ------ -10 - 本纸張尺度適财_^^T^^iFniG'X297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) ---- --1 - ·

J 、1 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 A7 B7 五、發明説明（8 施圖4所示之指令完成標記分配邏輯電路。將於下文中説 明其中一種方法。 現在請參閱圖5，圖中示出派發單元（100)的詳細方塊圖 。假設將指令完成帛記指定給各指令，並將這些指令放進 派發佇列（202)。如果無法將一標記指定给某—指令，則 不得派發該指令（直到可將一標記分配給該指令爲止）。.實 際決定分配哪些標記的邏輯電路可以是一些解碼邏輯電路 ’其運作万式是先找出第一可用標記，並將該標記給 進入派發抒列（202)的第-指令，然後將第二可用標記指 定給第二指令。 一起指足各個指令完成標記（2〇6)及控制相依性標記（2〇句 ，以便較易找出可分配的那些標記。假設已分配了 一组標 記，則對於控制相依性表及控制相依性標記的產生而言二 只不過是將已指定的標記與已分配的標記結合而已。 我們當可了解，當派發佇列（2〇2)處理指令時，派發佇列 (202)將其已排序的各控制相依性標記（2〇4)及已排序的指 令完成標記（206)非配給對應的指令。控制相依性標記（2〇曰 爲2個位元，其中假設每一個指令完成標記（2〇6)爲让個位 元。此外，在每一機器中可存在的指令數爲介於指令派發 與指令父付間之2^固。在—較佳實施例中，係在指令派發 時將一控制相依性標記（2〇4)指定給每一指令。於派發— 指令時，連同該指令亦派發其指令完成標記（2〇6)、及對 應於該指令控制流程相依的各指令之指令完成標記（亦即 控制相依性標記（204))表。因此，如果瓜個派發單元的每 _____ -11 - 本紙張纽適用中(CNS) 297公釐 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 五、發明説明（9 一派發單元都有總共η個不同的可用指令完成標記（2〇6)， 則一指令的控制相依性表包含一 η X m位元的匯流排，其 中一表示存在一個控制相依性，而零表示缺少一個控制相 依性。 因此，一指令的完成標記（206)可以是一 η X m位元的匯 流排’其中恰好有一個位元爲導通狀態（表示指定給該指 令的標記），該指令完成標記（206)亦可以是η X m個控制標 記中一個標記之編碼點。各執行單元告知兩個整體位元式 二態匯流排中之一匯流排之控制相依性決定。係將其中一 個匯流排用來告知正確的決定（即決定匯流排），而另一匯 流排則指示應清除與該指令相依的任何指令（即清除匯流 排）。當一指令產生多個控制相依性路徑時，則將一特有 的標i己賦予每一路徑。 每一管線階段（pipeline stage)負責監視微處理器的決定 匯流排及清除匯流排。如果一標記被放進決定匯流排，則 每一階段檢視其現有的（與目前在該階段的指令相關聯之） 控制相依性標記（204)，而且如果控制相依性標記（2〇4)存 在，則必須自表中去掉、此控制相依性標記（2〇4)(由於已決 定了控制相依性）。因此，當一指令的控制相依性標記 (204)表是空的（零）時，則可交付該指令。 如果一控制相依性標記（2〇4)被置於清除匯流排中，則每 -階段檢視其控制相依性標記表，而且如果控制相依性標 記（204)存㈣’則抑制其指令的輸出（可能藉由清除該指 令I万式）。％果—階段能夠決定一指令，則該階段利用 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1〇 ) 其現有的控制相依性標記（204)(指定給目前存在於該階段 的指令之特有控制相依性標記（204))，而以三態驅動器起 動決定匯流排及清除匯流排之位元，並輸出適當的値。圖 6 - 8示出用於各種管線階段的各種類型的電路。 圖6是一可決定控制相依性資訊的邏輯電路（300)之方塊 圖，該邏輯電路（300)包含一指令完成邏輯電路（302)，可 配合根據本發明的派發單元（100)使用。 圖7是一包含指令清除邏輯電路（402)的邏輯電路〇00)之 方塊圖，該邏輯電路（400)可配合根據本發明的派發單元 (100)使用。 圖8是一用來更新暫存器的邏輯電路（500)之方塊圖，該 邏輯電路（500)可配合根據本發明的派發單元（100)使用。 所有的邏輯電路（300)、（400)及（500)都在每一管線階段 中重複出現，且在電路中佔用極小的面積。其他的指令完 成架構需要圖6-8所tf之指令完成邏輯電路及指令清除邏 輯電路，因此將其簡單的示爲邏輯泡。指令清除邏輯電路 (4〇2)通常提供一可重新設定狀態機之信號，並停止選通 某些種類的有效指令會號。指令完成邏輯電路（502)決定 控制指令將要採用何種方向，且在任何處理器中都需要此 指令完成邏輯電路（502)。 最後，我們當了解，邏輯電路（300)、（400)、及（500)只 是代表可用於各種管線階段的邏輯電路類型。因此，對本 門技術具有一般知識者當可了解，可將各種邏輯電路配合 根據本發明的系統使用，而且這些邏輯電路將在本發明的 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X'297公釐） ________ί-______丁 m 1^1 m n —Μ . . m m '^5 ** (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

精神及範圍之内。 因此’根據本發明的系統提供 — 種刀散式完式控制^ 構。利用指令提供控制相依性資訊 ^ ^ ^ 即可實現此種架構， 因此’並不需要中央指令完成的 -^ ^ .. 7控制。因此，每一派發琴 凡都包含該單元是否要交付指令戋 V 4 β除指令的必要資訊。 此種根據本發明的分散式完式系 _ 、、"无保持了 一超純量處理 益中各扣令間複雜的控制相依性關係，但不會產生與大刑 循序仔列結構相關的周期時間負擔。此種完成控制機制^ 成本是與每一指令階段相關聯的大量標記位元，然^，黎 於尺寸縮小的光學雕印面積，此—成本相當小，而且可利 用新科技的優點。 雖然已根據所示之實施例説明了本發明，但是對本門技 術具有一般知識者當可了解，這些實施例尚有各種的變形 ’而且這些變形將仍在本發明的精神及範圍之内。因此， 在不脱離下列申請專利範圍的精神及範圍下，對本門技術 具有一般知識者仍可作出許多修改。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公t )

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 ¥、申請專利範圍 ΐ· 一種用於微處理器之分散式完成控制系统，包含： 複數個派發單元，每一派發單元又包含：―回應—提 取位址用以接收指令之派發佇列；提供控制相依性資訊 之装置·，以及指示裝置，用以指示已將複數個控制相依 性資訊指定給適當的指令；以及 複數個執行單元，用以接收指令及相關聯的控制相依 性資訊，並容許每一派發單元依據控制相依性資訊而交 付指令。 ν 2·根據申請專利範圍第1項之分散式完成控制系統，其中該 控制相依性資訊包含複數個已排序的指令完成標記、及 複數個已排序的控制相依性標記。 3.根據申請專利範圍第2項之分散式完成控制系統’其中該 派發佇列包含複數個派發佇列單元，用以根據排序之方 式接收指令。 4·根據申请專利範圍第3項之分散式完成控制系統，其中該 等複數個已排序之指令完成標記及該等複數個已排序之 指令完成標記表對應於該等己排序之指令，因而提供了 適當的控制相依性資'訊。 5.根據申請專利範圍第1項之分散式完成控制系統，其中該 控制相依性資訊係用來交付指令。 6·根據申請專利範圍第1項之分散式完成控制系統，其中該 控制相依性資訊係用來決定指令。 7·根據申请專利範圍第1項之分散式完成控制系統，其中該 控制相依性資訊係用來清除指令。 -15- 尽，氏張尺度適用中國國家榇準（CNS ) Α4規格（210 X 297公赛 ----:!Ί ΐ {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央榡準局員工消費合作衽印裳 六、申請專利範圍 8 888 ABCD -種用於處理器中之派發單元，包含： 一派發佇列； 控制相依性標記裝置，用以提供控制相依性資訊；以 及 指令冗成標記指定裝置，用以將控制相依性資訊指定 給適當的指令。 9. 根據申請專利範圍第8項之派發單元，其中該控制相依性 資訊包含複數個循序排列的指令完成標記、及複声個循 序排列的控制相依性標記。 10. 根據申請專利範圍第9項之派發單元，其中該派發仔列包 含複數個派發佇列單元，用以根據排序之方式接收指令 8. ^^1· m ί —^n ^ ^^^1 «i 1 J 气 ^-s° __* (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 11. 根據申 依控制 之控制 了適當 12. 根據申 資訊係 13. 根據申 資訊係 14. 根據申 資訊係 請專利範圍第10項之派發單元，其中該等複數個 相依性排序之指令完成標記及該等複數個已排序 相依性標記對應於該等已排序之指令，因而提供 的控制相依性資訊。 請專利範圍第8項之派發單元，其中該控制相依性 用來交付指今> 請專利範圍第8項之派發單元，其中該控制相依性 用來決定指令。 請專利範圍第8項之派發單元，其中隸制相依性 用來清除指令。 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（2丨οχ2”公羞）