分支预测概述

分支预测：不用等到分支指令的结果真的被计算出来,而是提前就预测结果的过程。

分支预测之所以能够实现,是由分支指令的特性决定的,因为分支预测本质上是对分支指令的结果进行预测,而在一般的RISC指令集中,分支指令包含两个要素：

• 方向，taken or not taken;
• target pc, 跳转的目标地址，该目标地址携带在指令中；有两种存在形式：
  • 直接跳转，PC relative, target pc = current pc + offset;
  • 间接跳转，indirect, 其目标地址来自于一个通用寄存器的值，该寄存器的编号从指令给出；
    • 间接跳转使用的通用寄存器，可能依赖于其他指令，所以可能需要等待一段时间才能得到目标地址；
    • 这就会导致如果预测失败，带来的misprediction penalty很大；
    • 还有一方面，这种寄存器的值，是随时变化的，所以很难预测，只有call/return这类规律性很强的指令，才推荐这种方式；

预测方式分为两种：静态分支预测和动态分支预测；

• 静态分支预测：总是预测跳转或者不跳转；
• 动态分支预测：根据分支指令在过去一段时间的情况来决定预测结果；

Fetch出来的指令，怎么知道是分支指令？

• fast decode的方式； 
  • 将指令组中的指令从1-Cache取出来之后,进行快速的解码,之所以称为快速,是因为只需要辨别解码指令是否是分支指令,然后将找到的分支指令对应的PC值送到分支预测器(branch predictor)中,就可以对分支指令进行预测；
  • 
  • 缺点：
    • fast decode和prediction放在同一个cycle, 频率很差；
    • 如果频率提高，则需要将这些电路放在多个cycle, 则在这段时间内，只能顺序取指令（即认为分支指令不跳转），降低了处理器性能；
• 预解码；
  • 在指令从 L2 Cache 写入到 I-Cache之前进行快速解码；
  • 将指令是否是分支指令的信息和指令一起写到 I-Cache中；
  • 解决不了如下问题：
    • 指令取出来，到分支预测成功，这段时间是多个周期，仍然解决不了在这个时间范围内进行顺序取址的问题；
• 使用PC值
  • 流水线中，分支预测越靠前越好，如果取址之后才预测，则到预测出结果，需要多个cycle, 这个misprediction penalty太大了；
  • 对于一条指令来说，它的物理地址是会变化的(这取决于操作系统将它放到物理内存的位置),而它的虚拟地址,也就是PC值,是不会变化的；
    • 只要这条分支指令第一次被执行完之后，当后面再次遇到这个PC值,就可以知道当前要取的指令是分支指令；
    • 即使发生了自修改(self-modifying)的情况，也会将分支预测器清空，重新开始进行分支预测，并不会影响分支预测的过程；
  • 所以可以使用PC值，来进行分支预测；
  • 对于多个进程，则可以使用asid+pc的方式进行预测，如果没有asid, 则切换进程时，需要对分支预测器中的内容进行清空操作，保证不同进程之间不会互相影响；