36、流水线调度与分支预测技术解析

流水线调度与分支预测技术解析

在计算机体系结构中，流水线调度、分支预测以及内存层次结构等技术对于提升计算机性能至关重要。下面将详细介绍这些技术的原理和应用。

动态调度的优势

动态调度在计算机编程中具有显著优势。某些调度方面在编译时难以预测，例如缓存未命中情况。当知道实际延迟时，动态调度能更好地安排任务。高度流水线化的调度通常需要大量寄存器，一般机器在 5 位指令字段中只有 32 个寄存器名，但通过运行时寄存器重命名的乱序执行，可以使用几百个实际寄存器，而只需几个静态名称。此外，最优静态调度依赖于了解硬件将达到的精确流水线状态，这在实践中有时难以确定。最后，动态调度不需要为同一指令集的每个不同实现重新编译程序。

分支预测

在许多浮点程序中，基本块较长，指令是长延迟浮点运算，分支是非常可预测的循环退出条件。此时的问题是安排长延迟指令的调度。但在许多程序（如编译器、操作系统、窗口系统、文字处理器）中，基本块较短，指令是快速整数运算，分支更难预测。这里的主要问题是尽快获取指令以便进行解码和执行。

例如，在图 20.11 中展示了比较、分支和加法指令的流水线阶段。在分支执行之前，后续指令的取指操作无法进行，因为要取的地址未知。假设超标量机器一次可以发出 4 条指令，那么在分支被取出后等待 3 个周期才能取出加法指令，这会浪费 11 个指令发布槽（3×4 减去分支占用的槽）。

为了解决这个问题，一些机器会在分支之后立即获取指令。如果分支未被采用，这些获取和解码的指令可以立即使用。只有当分支被采用时，才会出现指令槽停滞的情况。其他机器假设分支会被采用，并开始在目标地址获取指令；如果分支落空，则会出现停滞。有些机器甚至会同时从两个地