奔腾中的分支预测详细指南

为什么需要分支预测？

1. 产生的收益流水线可以通过存在程序传输指令(例如JMP, CALL, RET等)来减少
2. 它们更改了顺序, 导致在程序传输指令无效之后所有进入管线的指令
3. 因此, 在重新加载管道阶段时, 无需进行任何工作。

分支预测逻辑：

为避免此问题, 奔腾使用了一种称为动态分支预测的方案。在该方案中, 对流水线中当前的分支指令进行预测。该预测将被采用或不被采用。如果预测为真, 则不会刷新管道, 也不会丢失时钟周期。如果预测为假, 则刷新管道并从当前指令重新开始。

它是使用具有256个条目的4种方式设置的关联缓存来实现的。这就是所谓的分支目标缓冲区(BTB)。每行的目录条目包括：

• 有效位：指示条目是否有效。
• 历史记录位：跟踪多久采取一次。

源存储器地址是从中提取分支指令的位置。如果目录条目有效, 则分支的目标地址存储在BTB中的相应数据条目中。

分支预测的工作：

1. BTB是一个后备缓存, 位于2条管道的Decode Instruction(DI)阶段的一侧, 并监视分支指令。
2. 分支指令第一次进入管道时, BTB使用其源存储器在高速缓存中执行查找。
3. 由于之前从未见过该指令, 因此是BTB错过了。它预测即使是无条件跳转指令也不会采用该分支。
4. 当指令到达EU(执行单元)时, 将采用或不采用分支。如果采用, 将从分支目标地址中提取下一条要执行的指令。如果不采取, 将有顺序的指令获取。
5. 当第一次进行分支时, 执行单元将反馈提供给分支预测。分支目标地址被发送回, 并记录在BTB中。
6. 将创建一个包含源内存地址的目录条目, 并且将历史位设置为强置。

下表说明了该图：

历史位	结果描述	做出预测	如果采取分支	如果没有采取分支
11	强烈推荐	采取的分支	保持相同状态	降级为弱势
10	弱摄	采取的分支	升级为强烈推荐	降级为弱未采取
01	弱不服用	没有分支	升级为弱摄	降级为强烈不参加
00	强烈不采取	没有分支	升级为弱未采取	保持相同状态

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