超标量处理器设计读书笔记-BP篇

第四章 分支预测

4.1 概述

分支预测越靠前越好。快速解码电路放在cache当中。由L2-cache到L1-cache之前就解码。

4.2 方向预测

PHT=2bit饱和计数器。对某一种pattern的taken历史做记录。

BHR=分支历史寄存器，对2^n种pattern分别做记录，对每个地址都做记录，称为局部历史的方向预测。

GHR=全局历史寄存器，对2^n种pattern分别做记录，但是不对每个地址都做记录，而是只维护一个寄存器，称为全局历史的方向预测。

为了解决直接映射PC的情况下，不同分支指令的训练冲突的情况，可以先对PC和HR做拼接或异或，作为index来对PHT寻址。这种做法可能会降低冲突，可能也会提高冲突。

竞争的分支预测，暂时不提。

分支预测的更新有三个来源，取指，执行，提交阶段。另外，根据大佬提及，在中断处理程序当中可以更新。

其中，执行阶段的更新仅仅是推测，为了修复推测错误带来的损失，要么在执行阶段统一修复，代价比较大（尤其是修复load指令时），要么在执行阶段设置若干checkpoint，选择其中一个回复。

4.3 地址预测

BTB，即更新PHT的时候统计记录target。BTB本身也可以是一个Cache。

BTB缺失时的处理方式，包括顺序执行和暂停流水（等待执行级产生正确地址）。

4.3.2 绝对跳转的地址预测

使用RAS来保存递归调用的return跳转地址。（call指令用btb）

RAS不够用的时候，push加入新的entry，同时pop最旧的entry。

带计数器的RAS可以很好地应对自我递归函数。

对case指令的分支预测，可以使用target-cache。

4.4 分支预测失败时的恢复

在取指阶段，通过预译码进行检测和恢复。

在译码阶段，通过比较正确分支地址进行检测和恢复。

在执行阶段，现代处理器采用基于ROB的方式或基于check point的方式进行恢复。

基于check point的方式在超标量处理器当中实现时，需要对每一个分支及其之后的预测指令做分组编号，以便于识别错误路径。这只是一种思路。

维护编号列表时，出于对性能的考量，可能出现多端口fifo，不利于功耗面积，由此可以约束，N-way的处理器在译码阶段最多吃入一条分支指令。

PTAB是译码阶段保存预测地址的cache，用于执行阶段检查分支预测是否正确。

4.5 超标量处理器的分支预测

PC+4还是+12？都需要进行预测，但是BTB不能实现真正的多端口。

可以等方向预测完毕以后再进行地址预测，损失性能，降低硬件付出。但是还是要用交叠方式来实现BTB，模拟一个多端口BTB。