关于分支预测

分支预测分为两类:静态分支预测和动态分支预测,

https://blog.csdn.net/edonlii/article/details/8754724

https://blog.csdn.net/rrrfff/article/details/44993467

https://blog.csdn.net/muxiqingyang/article/details/6680315 参考

分支预测的方法有 静态预测 和 动态预测 两类:静态预测方法行为比较简单,如预测永远不转移、预测永远转移(jmp)、预测后向转移等等,它并不根据执行时的条件和历史信息来进行预测,因此预测的准确性不会很高;动态预测方法则根据同一条转移指令过去的转移情况来预测未来的转移情况。

静态分支预测:

  最简单的静态分支预测方法就是任选一条分支。1)认为branch一定会token;2)认为branch一定不会token;这样平均命中率为50%。更精确的办法是根据原先运行的结果进行统计从而尝试预测分支是否会跳转。(MIPS的延迟槽就是一种认定一定发生的静态分支预测)

动态分支预测:

一种简单的预测方式就是根据该指令上一次是否跳转来预测当前时刻是否跳转。如果该跳转指令上一次发生跳转,就预测这一次也会跳转,如果上一次没有跳转,就预测这一次也不会跳转。这种预测方式称为:1位预测(1-bit prediction),2位预测

    动态分支预测是近来的处理器已经尝试采用的的技术。最简单的动态分支预测策略是分支预测缓冲区(Branch Prediction Buff)或分支历史表(branch history table)。
     BHT——Branch History Table,顾名思义,这是记录分支历史信息的表格,用于判定一条分支指令是否token;这儿记录的是跳转信息,简单点的,可以用1bit位记录,例如1表示跳转,0表示不跳转,而这个表格的索引是指令PC值;考虑在32位系统中,如果要记录完整32位的branch history,则需要4Gbit的存储器,这超出了系统提供的硬件支持能力;所以一般就用指令的后12位作为BHT表格的索引,这样用4Kbit的一个表格,就可以记录branch history了。当然,通过大伙的不懈努力和分析,发现在BHT中用1bit位记录分支是否跳转还不够准确,用2bit位记录就非常好了,而用3bit或者更多位记录,效果与2bit类似。所以在BHT中,一般就用2bit位记录分支是否跳转:例如11和10表示这条分支会跳转;01和00表示分支不会跳转。这个2bit计数器大伙叫做饱和计数器。
    BTB——用于记录一条分支指令的跳转地址,由于这儿存储的是指令地址,例如32位地址,因此,这个表格就不能做到存储BHT那样多的内容了,如果也支持4K条指令,则需要128Kbit的存储空间,这几乎可以赶上一个L1Cache的容量了,所以BTB一般很小,就32项或者64项。由于这个BTB容量小,并且其用于是记录分支指令的跳转地址,因此,如果这条指令不跳转,即其下一条指令就是PC+4,则不会在BTB中记录的。


      基于BTB和BHT的分支预测就很简单了:
      1)在取指阶段利用PC寻址BTB,如果命中,则说明这是一条跳转指令,利用从BTB中获取到的地址去取icache;
      2)由于BTB中保存的内容不够多,因此BHT的准确率更高,这个时候索引BHT表格,如果发现BHT也跳转,则说明这条指令预测是跳转的;如果BHT不跳转,则说明不跳转,这个时候就取消BTB中的指令地址,重新PC+4去取icache;

 

 

(2) 分支预测实现

       算法是基础,有了算法后,就可以在处理器中实现分支预测功能。Intel的分支预测模块包含了3个单元:

       1.         Branch Target Buffer(BTB)

       2.         The Static Predictor

       3.         Return Stack

       基本的BTB结构如下: 

BTB(Branch Target Buffer)

        分支指令在执行后,会将这条指令的地址以及它的跳转信息记录在BTB中。BTB buffer不会太大,不能将所有的分支指令都存进去,通常采用Hash表的方式存入。在取指时,先将PC(程序指针)和BTB中的分支指令的地址进行比较,如果找到了,说明这条指令是分支指令,并且在BTB中有记录,就使用BTB预测出来的跳转地址。如果没有记录,就不能使用BTB的信息了,取指下一条指令。

        Intel的Branch Target Buffer还包含了历史跳转信息,用于预测分支指令是否发生跳转。

 

The Static Predictor

        当分支指令在BTB中记录了历史信息才能使用BTB进行预测,当分支在BTB中找不到记录时,可以使用The Static Predictor(静态预测器)。人们将分支指令的执行情况做了大量的统计,从中总结出一些特征,并将这些特征总结为一些固定的策略,这就是静态预测器。

        当指令被解码后,它是不是分支指令,以及要跳转的地方就知道了,只是不知道是否该跳。一般来说,向上的跳转,常用来组织成循环,这个跳转应该被预测为执行。

向上跳,组成循环

      静态预测器通常的策略是:向下跳转预测为不跳转,向上跳转预测为跳转。

 

 

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