[发明专利]使用多块物理寄存器映射表的寄存器重命名系统及其方法

说明书

技术领域

本公开一般涉及处理器架构领域，并且更为特别地涉及超标量体系 结构的处理器中的寄存器重命名。

背景技术

一般而言，处理器是一种可以运行计算机程序以执行算术计算、数 据置换等等的设备。微处理器是这样一种类型的处理器，其将处理器的 大多数功能或所有功能都合并在单个集成电路上。超标量体系结构的微 处理器是通过同时将多个指令分派给处理器中的冗余的运行资源(也称 为功能单元)而能够在一个时钟周期中运行不止一个指令的微处理器。 当运行指令和微操作时，处理器通常从寄存器读取源操作数并将结果或 目标操作数存储在寄存器中。寄存器是处理器内的临时存储单元，与其 他地方的可用存储器相比，寄存器的内容可以被更快地访问，并且寄存 器通常被用于保存供处理器使用的算术和其他结果。一个给定的寄存器 可包含多个比特，例如8比特、16比特或32比特，并且可通过相应的 寄存器标识符诸如寄存器号来进行访问。

寄存器重命名是在超标量体系结构的处理器中用来允许并行运行指 令的各种技术中的一种。因为处理器的程序指明的寄存器常常比硬件中 能够实现的寄存器要少，所以一个给定的超标量体系结构的处理器实现 常常具有比程序中所指明的寄存器数目更多的寄存器。在通常被称为寄 存器重命名的阶段，某个程序所使用的多个通用架构寄存器被关联到或 者被映射到该超标量体系结构的处理器中的多个物理寄存器。例如，在 可以发出多至4条指令供并行执行的超标量体系结构的处理器中，物理 寄存器文件中的多至四个空物理寄存器必须是可用的，以便允许在每个 时钟周期多至4个架构寄存器可被重命名。

相关联的架构寄存器与相应的物理寄存器之间的关系通常被记录在 物理寄存器映射表(PRMT)的项中。PRMT中的每个项记录物理寄存 器文件中的相应的物理寄存器的状态，例如相应的物理寄存器是否是空 (并且因此是否可用于存储相关联的架构寄存器的数据)。已解码的程序 指令所使用的架构寄存器被关联到相应的物理寄存器，并且每个架构寄 存器的标识符例如地址也被记录在与相关联的物理寄存器相联系的 PRMT项中。因此，PRMT记录每个物理寄存器的状态以及架构寄存器 与物理寄存器的关联/映射信息。随着程序指令的运行，从一个时钟周期 到另一个时钟周期，被配置用于存储相关联的架构寄存器的数据的每个 物理寄存器的状态发生变化，并且在PRMT中对已配置的物理寄存器的 状态的这种变化进行跟踪。已配置的物理寄存器不能被用于另一架构寄 存器，直到其所关联到的当前架构寄存器被程序指令释放为止。

物理寄存器越多，使用的物理寄存器文件就越大，使用诸如八十项 的寄存器文件这样的大的物理寄存器文件在近来变得越来越普遍。使用 大量的物理寄存器有助于减少发生由于指令依赖所带来的管道延迟，从 而允许一次发出更多的指令。因此，PRMT中的项数随着物理寄存器的 数目增加而增加。然而，在超标量体系结构的处理器中，大的PRMT相 比小的PRMT而言使得更难找到指示关联的物理寄存器为空的项。另外， 用传统的专用集成电路(ASIC)设计方法和结构来实现的更大的PRMT 倾向于需要更大的电路面积、增加路径延迟，并且结果产生更高的功耗。 因为路径延迟和功耗是处理器设计中的两个关键因素并且影响性能，所 以理想的是在对性能只有最小影响的情况下实现用于寄存器重命名的更 大的PRMT。

发明内容

在一方面，一种将架构寄存器关联到物理寄存器的寄存器重命 名系统包括具有多个项的物理寄存器映射表和重命名逻辑。该映射 表的每个项都指示相应的物理寄存器的状态。映射表具有多个非重 叠的段，其中每个段具有相应的映射表项。重命名逻辑被耦合用以 并行地搜索多个映射表段，以识别每个都指示相应的物理寄存器处 于第一状态的项。该重命名逻辑选择性地将多个架构寄存器中的每 个关联到相应的被识别为处于第一状态的物理寄存器。

在另一方面，一种处理器中的寄存器重命名系统包括第一寄存 器块、第二寄存器块和被耦合到该第一和第二寄存器块的搜索逻辑。 第一块中的每个寄存器存储物理寄存器映射表的第一段中的相应 项，其指示相应的物理寄存器的多个状态中的一个。第二块中的每 个寄存器存储物理寄存器映射表的第二段中的相应项，其指示相应 的物理寄存器的多个状态中的一个。搜索逻辑并行地搜索第一和第 二寄存器块，以识别第一和第二块中的所存储的相应的映射表项指 示相应的物理寄存器处于第一状态的寄存器。