CPU pipeline面试题Q4：如何实现基于硬件的分支预测？

基于硬件的分支预测有两个方面：分支条件预测和分支目标预测。 分支条件决定是否接受分支，分支目标决定目标地址。 这两个方面都同样重要。

分支条件预测

分支条件预测由静态预测和动态预测组成。 静态预测意味着分支要么总是被采用，要么总是不被采用。 在现代CPU技术中，静态预测没什么意义，比较过时，因此我们应该专注于动态预测。

最简单的解决方案是1位状态机。 当状态为1时，将进行预测taken，否则将预测not taken。 如果预测不正确，状态将被翻转。

为了进一步改进预测，状态机的状态可以用2位而不是1位。一个常用的2位状态机实现如下所示。

当状态为11或10时，将进行预测taken，否则将预测Not taken。状态只能通过2个失败的预测来改变。这在for-for循环中特别有用。使用1位预测器，内循环的最后一次迭代将始终失败，但使用2位预测器不会。

到目前为止，我们讨论的预测器只考虑“local”分支历史，即分支本身的先前行为。条件分支的行为也取决于程序到该分支的路径。这意味着最后几个条件分支或“global”历史的行为也会影响预测的准确性。

一个常见的解决方案是有（m，n）相关预测器，其中m代表“global ”历史最近发生了分支，n代表n位“local”预测器。A（2，2）相关预测器如下所示。

2位global分支历史记录跟踪2个最新分支的行为，并用于索引要使用的2位预测器。各组2位预测器由分支地址的最后4位进行索引，这意味着每组都有16个2位预测器。最终预测结果取决于global 分支历史和local分支地址。

“终极”解决方案被称为锦标赛预测器Tournament Predictor。顾名思义，两个预测器同时工作并相互竞争。有一个2位预测器用于选择哪个预测器提供结果。如果选择的预测器有两次错误的结果，而另一个预测正确，则第二个预测器被选中进行分支预测。相对而言，锦标赛预测器比其他类型的预测器更准确。

有种俄罗斯套娃的意思了。

分支目标预测 Branch Target Prediction

分支目标预测涉及尽快获得分支目标地址。如果没有分支目标预测，即使我们知道应该采取分支，我们也不知道该跳到哪里。

一个常见的实现是分支目标缓冲区Branch Target Buffer或BTB，以存储预测的分支目标地址。BTB由分支指令的PC或程序计数进行索引，预测的目标地址将在一个周期内可用。

总结

只有当条件预测和目标预测并存时，分支预测才能很好地发挥作用。