分支预测详解

分支预测用于在微处理器中以流水线效率为目标来预测程序流。有许多方法来实现分支预测，通常在更好的预测结果和增加硬件做预测之间需要进行权衡。

目录

分支预测简介

静态分支预测

动态分支预测

启动分支预测

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分支预测简介

要了解分支预测器，就不得不提指令流水线。以4级流水线为例，四个步骤分别是取指、解码、执行、写回。如下图所示。

假设一条指令从执行开始到执行结束需要4个时钟周期，在没有流水线的情况下，需要等待第一条指令执行结束，才能取第二条指令，这时两条指令就用了8个周期，效率是很低的。

引入4级流水线将指令拆成4个步骤：取指、解码、执行、写回。当第一条指令处于解码时，同时对第二条指令取指；对第一条指令执行时，同时对第二条指令解码，对第三条指令取指；对第一条指令写回时，同时对第二条执行，第三条解码，第四条取指；如此这般。最终达到的效果就如上图所示，只有第一条指令需要4个周期，其他后续的指令都只需要1个周期，极大地提高了处理效率。

流水线的高效率的前提是指令顺序执行，在执行跳转指令时，流水线将被清空，又回到了上图中的第一步，跳转后的第一条指令要执行仍然需要4周期。因此如果程序频繁跳转，流水线的作用就大打折扣。

为了解决这个问题，就引入了分支预测器：它会提前检测到跳转指令，并根据预判结果取指。如果预判结果是不跳转，就按顺序取下一条指令；如果预判结果是跳转，就从跳转的目的地址取下一条指令。假如预测对了，那么流水线就不会被清空，仍然可以一条指令1个周期；如果预测错了，下一条指令仍然要4周期。从这里看出，分支预测器对于提高流水线效率是有帮助的。当然，以上情况并不适用于所有的内核，预判对错所需要的指令周期还是取决于MCU是如何设计的。

静态分支预测

其实，静态分支预测就是不预测哈哈。常用静态分支预测一般有如下几种：

1. 总是不跳转：实现简单，无需跳转预测；对于条件分支来说，准确率大概为30%~40%。
2. 总是跳转：实现简单，无需跳转预测；对于条件分支来说，准确率大概为60%~70%。
3. BTFN(Backward taken, forward not taken)：如果目标地址比当前分支指令PC小，即往前跳，则跳转（如循环）；如果目标地址比当前分支指令PC大，即往后跳，则不跳。
4. Profile based(likely direction)：编译器使用profile运行方式确定可能的分支方向，并编码到指令中。
5. Program based (likely direction)：根据ISA指令特定，对不同指令采用不同的预测方向。
6. Programmer based：程序员提供静态预测，通过编译器指令指示方向。if (likely(x)) {....} 指示较大概率是跳转，if (unlikyly(error)) {....} 指示较大概率是不跳转。

动态分支预测

动态预测则指在程序运行时进行预测。不同的软件、不同的程序分支行为，我们可以采取不同的算法去提高预测的准确率，如我们可以根据程序的历史执行路径信息来预测本次跳转的行为，常见的动态预测方式有1-bit动态预测、n-bit动态预测、下一行预测、双模态预测、局部分支预测、全局分支预测、融合分支预测、循环预测等。随着大量新的应用软件的出现，为了应对新的程序逻辑行为，分支预测器也做得越来越复杂，占用的芯片面积也越来越大。在CPU内部，除了Cache，就数分支预测器的电路版图最大。

举例来说：

1. Last time prediction(单bit计数器)：以上一次的跳转情况作为这一次是否跳转的预测，针对每个分支使用一个bit来记录上一次执行的方向，保存在BTB中，并使用分支指令PC进行索引。
2. 2bit饱和计数器预测：针对每个分支指令维护一个使用2bit的饱和计数器来对历史状态进行标记，遇到一次跳转则计数器加1，遇到一次不跳转则计数器减一；预测时根据计数器的值来进行预测，预测的映射方法有多种：使用计数器的最高位来预测，即最高位为1则预测跳转，否则预测不跳转；使用计数器的值来预测，计数器非0则预测跳转，否则预测不跳转。相应的预测器结构同前述的单bit预测器类似，差别在于BTB中维护的计数器位宽以及预测的映射方式。

分支预测技术是提高CPU性能的一项关键技术，其本质就是去除指令之间的相关性，让程序更高效运行。一个CPU性能高不高，不仅在于你的流水线有多深、主频有多高、Cache有多大，还和分支预测技术息息相关。一个分支预测器好不好，我们可以从两个方面来衡量：分支判断速度和预测准确率。目前分支预测技术可以达到95%的预测准确率，然而技术进化之路永未停止，分支预测技术一直在随着计算机的发展不断更新迭代。

启动分支预测

对于Cortex-R4、Cortex-R5、Cortex-M7等支预测功能在复位时是自动启用的。不需要软件配置做就能获得最大的性能。如下图所示，内核手册中BP默认使能。

对于Cortex-R7、Cortex-R8等复位时默认不使能分支预测，这意味着软件必须使能分支预测，以获得最大的硬件性能。通过设置Z比特来使能分支预测。Z比特位于系统控制寄存器SCTLR的第11位。