处理器结构--分支预测(Branch Prediction)

背景

条件分支指令通常具有两路后续执行分支。即不采取（not taken）跳转，顺序执行后面紧挨JMP的指令；以及采取（taken）跳转到另一块程序内存去执行那里的指令。是否条件跳转，只有在该分支指令在指令流水线中通过了执行阶段（execution stage）才能确定下来。

如果没有分支预测器，处理器将会等待分支指令通过了指令流水线的执行阶段，才把下一条指令送入流水线的第一个阶段—取指令阶段（fetch stage）或者将后续流水线全部清空。这种技术叫做流水线停顿（pipeline stalled）或者流水线冒泡（pipeline bubbling）或者分支延迟间隙。最初的RISC体系结构处理器采用的应对分支指令的流水线执行的办法。

原因

分支预测器猜测条件表达式的两路分支中哪一路最可能发生，然后推测执行这一路的指令，来避免流水线停顿造成的时间浪费。如果后来发现分支预测错误，那么流水线中推测执行的那些中间结果全部放弃，重新获取正确的分支路线上的指令开始执行，这招致了程序执行的延迟。

在分支预测失败时浪费的时间是从取指令到执行完指令（但还没有写回结果）的流水线的级数。现代微处理器趋向采用非常长的流水线，因此分支预测失败可能会损失10-20个时钟周期。越长的流水线就需要越好的分支预测。

一条条件跳转指令第一次遇到，还没有任何信息可以去预测分支。此后保持这条指令是采取还是不采取跳转的历史记录，就可以作为再遇到这条指令时猜测最可能的分支。

实现

主要包括两类预测器： 静态预测器（Static Predictor）以及动态预测器(Dynamic Predictor)

静态预测器

预测条件跳转不发生，因此总是顺序取下一条指令推测执行。仅当条件跳转指令被求值确实发生了跳转，则非顺序的代码地址被加载执行。另外一种，则预测条件跳转总会发生，因CPU而异。对于这种静态预测如果产生错误，则惩罚就是清空后续的PipeLine中的指令。

而另外一个静态预测器就是LSD：Loop Stream Decoder

Loop Stream Decoder

传统的分支预测流程是： 分支预测-->取指-->解码

传统的分支预测流程

而LSD的目标就是检测CPU是否处于程序的Loop(for，while，do---while)中，如果处于Loop中，则会停止分支预测，并且为将LSD中的存储的指令流向ReoderBuffer。

其中分支预测和取指硬件将会被禁用，并且会将28条Micro-Ops保存在LSD中，并且将指令一遍遍传入ROB直到Loop完成或者跳出循环。

LSD工作时流程

动态预测器与BTB（Branch Target Buffer）

基于之前执行的分支信息，处理器对于正在执行的程序所做的决定。最简单的一种就是：1-bit动态预测，比如Alpha 21064 RISC处理器就使用这种。

原理：根据该指令上次是否跳转来预测此次是否跳转。如果上次跳转，则预测此次也会跳转。

而更好的一种方案是n-bit动态预测。 例如2bit动态预测器。以下为2bit动态预测器工作原理：

• 当处于处于00状态时候，预测顺序分支
  • 预测成功，仍处于00状态
  • 预测失败，则调整为01状态
• 当处于01状态时，继续预测顺序分支
  • 预测成功，则调整为00状态
  • 预测失败，则调整为10状态
• 当处于10状态时，预测其他分支
  • 预测成功，则调整为11状态
  • 预测失败，则调整为01状态
• 当处于11状态时，预测其他分支
• 预测成功，仍处于11状态
• 预测失败，则回退到10状态

2-bit动态预测器

而另外一种变种的2-bit动态预测器如下图所示：

变种2-bit动态预测器

标记分支状态以及分支历史的一段内存被称为BTB，这段内存非常小，仅仅只存储了分支指令地址，以及预测的目标地址，以及预测的位。

当一个分支指令第一次执行时，处理器为该指令分配一个Entry放入BTB中，当指令读取请求的时候，将该指令同步放到L1的Instruction Cache以及BTB中，如果在BTB中Match上该指令，Branch Target Address将会从BTB中被读取。当指令分支执行完毕后，它的Target Address也会在BTB中被更新，Prediction Statistics也同样会更新。

Branch Target Buffer

通常静态分支预测方法不需要太多硬件资源，不过它会提高编译器的复杂度，同理动态预测方法会增加硬件的复杂度，但是对编译器的要求不会太高。通常动态预测的结果会比较好，并且在编译期后决定分支，对面向对象的代码提供了更好的兼容性。

分支预测正确与错误的惩罚

参考资料

维基百科-分支预测 SSCE-Branch-Predict Improved Loop Stream Detection