【CPU微架构】分支预测（一）

（一）分支预测的作用

从计算机发展来看，新的设计，新的架构，都是为了解决问题而产生，或功能问题，或性能问题。
以if（a>b） funcA; else funcB； 为例，这条语句可以简单分解为一条cmp比较指令（a>b）和一条jump指令决定跳到funcA还是funcB。如果没有分支预测，那么会出现如下图所示情况。

上图以五级流水线 为例，水平表示CPU的时间轴。如果没有分支预测，jmp指令取指后，根据指令PC是无法知道下一条指令到底是funcA还是funcB。这样，流水线可能需要停下来多个时钟周期，直到jump指令解析出下一个地址是funcA还是funcB。
因为不想要流水线在碰到分支时停顿，那么就引入了分支预测。即在jump指令取指后，就预测下一条指令。在常用软件中，约20%的指令为跳转指令，因此分支预测极其准确性是微架构的重要研究方向之一。
总之，分支预测的作用主要是通过提前预测后续指令，提高流水线的利用率，进一步提升指令并行度。随着流水线深度和发射宽度的增加，分支预测对CPU的性能影响也越大。

（二）分支预测相关的指令与分类

arm跳转指令分类

不同的指令集跳转指令实现有一些差异，这里主要介绍aarch64指令集的相关跳转指令，如下图p1，aarch64跳转指令从两个维度分类：
（1）有条件跳转/无条件跳转
（2）直接跳转/间接跳转
有条件表示要满足条件才跳转，比如if…else需要进行条件判断。直接跳转和间接跳转，可以理解为跳转的地址是一个立即数（固定的），还是需要存在寄存器中（不固定的）。
从以上维度组合2*2=4，有4种跳转指令，下图为指令的分类和应用场景。aarch64没有条件间接跳转指令。

条件直接跳转：if…else… /for… /switch…case…
无条件直接跳转：函数调用，代码块跳转
无条件间接跳转：函数指针，函数返回ret（ret跳转的地址隐含在LR寄存器中）

跳转指令与C语言

以下为C语言常见的跳转指令产生场景：

（三）分支预测的核心问题

从以上分支指令分类的两个维度可以看到，跳转指令关心跳转条件满足不满足(跳还是不跳)，跳转地址存在指令编码的立即数，还是存在于寄存器。
因此再复杂的分支预测算法，核心问题永远是：
（1）跳不跳
Taken
Not Taken

（2）跳到哪里
PC+4(Not Taken)
PC+offset(Taken)

后续将继续介绍常用的分支预测算法