[处理器芯片]-4 超标量CPU实现之分支预测

分支预测通过预测程序中分支指令（如条件跳转、循环、函数调用等）的执行路径，从而减少因分支指令带来的流水线停顿和性能下降，用于提高指令流水线的效率，是处理器非常关键的一项技术。

1 设计原理

分支指令：分支指令决定了程序的执行路径，当执行条件满足时跳转到目标地址，否则继续顺序执行。常见的分支指令有条件跳转（如 if-else 语句）、循环（如 for 和 while 语句）以及函数调用和返回。

流水线停顿：当处理器遇到分支指令时，如果不能提前确定跳转路径，就需要等待分支条件的计算结果，从而导致流水线停顿。

分支预测：分支预测通过猜测分支指令的执行路径（跳转方向和跳转目标），使处理器能够继续提前加载和执行指令，而不必等待分支条件的计算结果，从而提高指令级并行度和处理器性能。

2 预测分类

分支预测器通常按照预测的内容来分类，主要包括跳转方向预测和跳转目标预测。

1）跳转方向预测

跳转方向预测的主要目标是预测条件分支指令是否会跳转，即分支是否成立，大多数现代处理器的分支预测器集中在这一方面，又可分为静态预测器和动态预测器两种。

静态预测器

静态预测使用固定的规则预测分支跳转方向，如“总是跳转”或“总是不跳转”，不依赖运行时的分支行为，而是根据预定义的规则进行预测。

固定方向预测：总是跳转，假设所有分支指令都会跳转；总是不跳转，假设所有分支指令都不会跳转。这种方法在一些情况下效果较好，但总体预测准确性不高。

基于编译器的预测：编译器根据代码的上下文和结构，对分支进行预测，编译器可能使用启发式规则（如循环中的分支多为跳转）或静态分析（如频繁执行的路径）。

动态预测器

动态预测使用运行时的分支历史信息进行预测。

单比特预测：使用一个比特记录分支的上一次行为（跳转或不跳转），如果上一次分支跳转，则预测这次也跳转，反之亦然。

双比特预测：使用两个比特记录分支的历史行为状态（如强跳转、弱跳转、弱不跳转、强不跳转）。这种方法比单比特预测更稳定，减少了因为一次错误预测导致的连续错误预测。

全局历史预测：使用全局历史寄存器记录最近几次分支的结果，并根据全局历史进行预测。

局部历史预测：使用每个分支的局部历史记录进行预测，针对特定分支指令的行为进行更准确的预测。

混合预测：结合多种预测方法，综合使用全局历史和局部历史进行预测，并通过选择器选择最合适的预测器。

2）跳转目标预测

跳转目标预测，预测条件分支或间接跳转指令的目标地址，减少因跳转目标未确定而导致的流水线停顿。

分支目标缓冲器（Branch Target Buffer，BTB）：缓存最近的分支指令和对应的目标地址，根据当前分支指令的地址快速查找目标地址。

返回地址栈（Return Address Stack，RAS）：专门用于预测函数调用和返回指令的目标地址，通过维护一个调用/返回堆栈来预测返回地址。

间接跳转预测器：用于预测间接跳转指令（如函数指针调用或虚函数调用）的目标地址，可以使用类似于BTB的方法但更复杂。

3 分支预测器实例

TAGE预测器

TAGE（TAgged GEometric）是一种先进的分支预测器，专为现代高性能处理器设计：利用多个预测表，每个表使用不同长度的全局历史进行索引，并且每个条目都有一个标签，用于验证该条目是否适用于当前分支；通过选择最匹配的条目来进行预测，从而提高预测的准确性。

主要组件

基础预测器：通常是一个简单的两位饱和计数器数组，使用全局历史的一部分来进行索引。

多个标签预测表：每个表具有不同的历史长度，条目由索引和标签组成，标签用于验证条目是否匹配当前的分支历史。

设计步骤

1）初始化

基础预测器，初始化为一个大小为2n的两位饱和计数器数组，其中n是索引位数。

标签预测表，多个表，每个表的大小为2m，其中m是索引位数，每个条目包括一个标签和一个计数器。

2）预测过程

索引计算：对于每个标签预测表，使用不同长度的全局历史与分支指令地址组合计算索引。例如，索引计算可以是：index = hash(global_history[:length] + PC)，其中 length 是当前表的历史长度，PC 是程序计数器。

标签比较：计算索引后，从每个表中提取条目并比较标签，如果找到匹配的条目，则该表的计数器值用于预测。

选择预测：从匹配的条目中选择使用最长历史匹配的条目进行预测，如果没有匹配的条目，则使用基础预测器的结果。

3）更新过程

更新基础预测器：根据分支实际结果（跳转或不跳转）更新基础预测器的计数器。

更新标签预测表：根据实际结果更新匹配的标签预测表的计数器，如果预测错误，则分配一个新的条目或者替换现有的条目。

4）分配新条目