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计算机体系结构期末复习1：分支预测

news 来源：原创 2025/5/15 7:15:17

目录

一、为什么需要分支预测

1.存在分支的指令

2.控制相关的处理方式一：stall(阻塞）流水线

二、分支预测方法

1.预测正确与预测错误的性能损失

2.减少预测错误的惩罚

3.提高分支预测的准确度 

1）编译时（静态方法）

2）运行时（动态方法）

三、动态预测方法

1.Last Time Predictor

2.Last Time Predictor改进：2 bits 饱和计数器

3.Two Level Predictior(两层预测器）

1）局部相关性：

2）全局相关性：

3）全局历史寄存器（GHR）：

5）模式历史表（PHT）：

6）提高全局预测器准确性的方法

一、为什么需要分支预测

CPU流水线上的指令存在控制相关，即PC值可能不再顺序执行，可能会跳转到另一地址。

1.存在分支的指令

1）条件跳转：比如beq $rs, $rt, offset，在X（执行）阶段确定是否跳转

2）无条件跳转：比如j target,在D(译码)阶段确定是否跳转

3）函数调用：比如jal target,在D(译码)阶段确定是否跳转

4）跳转寄存器：比如JR $ra，在D(译码)阶段确定是否跳转

2.控制相关的处理方式一：stall(阻塞）流水线

这种思路是，既然我在decode阶段（甚至exe阶段）才知道分支的跳转情况（也就是下一条取什么指令），那么流水线阻塞一个周期，等到该条指令运行完decode阶段，再读入下一条指令。

正常五级流水线如下图：

 用stall方法来处理五级流水线如下图：

显然，stall的方式十分低效。与其等待分支结果运算出来，不如尝试分支预测。

二、分支预测方法

1.预测正确与预测错误的性能损失

1）预测正确：假如预测正确，那么我们下一条取的指令就是我们期望中的，不会带来任何延迟。

2）预测错误：假如预测错误，我们需要刷新取进来的错误指令，重新取一条新的指令。

3)性能损失分析：

假设不预测，插入bubble,会阻塞两个周期。

假如预测成功，正常执行就好。

假如预测失败，需要刷新掉decode和exe阶段正在执行的指令（即错误执行的指令）。也会像不预测那样损失掉两个周期的时间。

我们来定量计算一下： 假如五级流水线中，无数据危害引起的stalls，20% 的分支指令，其中70%预测错误，那么：

CPI=（1+0.2x0.7x2）=(1+0.14x2)=1.28 

其中0.14是预测错误的概率，2是预测错误引来的额外阻塞时间。要想降低CPI，我们从这两点入手。

2.减少预测错误的惩罚

1）如果能在decode阶段获取分支跳转结果，那么不预测或者预测错误只需要阻塞一个周期。惩罚从2变成1.

2）如果能在fetch阶段就获取分支结果，那么一定能取进正确的指令，也不会引进额外的阻塞。 

3.提高分支预测的准确度 

1）编译时（静态方法）

  • 一直预测为跳转
  • 一直预测为不跳转
  • 预测后向为跳转，前向为不跳转
  • 基于提前分析（略）
  • 基于程序分析（略）

2）运行时（动态方法）

  • Last time prediction (single-bit)
  • Two-bit counter based prediction
  • Two-level prediction (global vs. local)
  • Hybrid
  • Advanced algorithms (e.g., using perceptrons）

三、动态预测方法

1.Last Time Predictor

 1）思路：每个分支语句采用1bit记录预测结果（T表示跳转，N表示不跳转）。上一条分支语句跳转，这一条分支语句就预测跳转；上一条分支语句不跳转，这一条分支语句就预测不跳转。

2）缺陷：遇到双层循环时，会连续两次预测错误。（跳出内存循环时预测错误一次，跳进外层循环时错误一次）。预测分析器的转换太快。

2.Last Time Predictor改进：2 bits 饱和计数器

3.Two Level Predictior(两层预测器）

1）局部相关性：

一条分支语句的结果可能与过去多次的预测结果有关，而不仅仅与最后一次有关。两层预测器将关注过去两次的分支跳转结果。

2）全局相关性：

一条分支语句的结果可能与其他分支语句的结果相关。比如某种pattern会循环多次。（比如for(int i=0;i<4;i++)作为内层循环，TTTTNT可能会循环多次）

3）全局历史寄存器（GHR）：

记录过去所有分支的跳转历史。比如0100代表第二条发生了跳转，第一、三、四条没有跳转。

5）模式历史表（PHT）：

记录跳转历史。

  • 使用GHR的内容进行索引
  • 每个表项是个2bits饱和计数器，用于预测当出现该表项的pattern时，下一条分支该如何跳转
  • 当需要预测分支跳转时，根据历史分支跳转情况查找PHT

 

6）提高全局预测器准确性的方法

A. 思路：由于不同的分支语句碰到一样的历史pattern时跳转趋势可能不同，因此增加上下文信息让预测器知道当前预测是哪个分支语句。

方法：GHR和分支语句的PC进行哈希，再去索引PHT。

B.思路： 为不同分支维护单独的PHT。即由PC的低位决定访问哪个PHT，再由GHR索引PHT的表项。

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