[发明专利]记录式分支预测器的硬件实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及分支预测技术，尤其涉及一种记录式分支预测器的硬件实现方 法。

背景技术

分支指令是程序中频繁出现的指令，C语言中平均每9条指令就会出现一条 分支指令，分支指令带来了程序行为的多样性，在单发射顺序执行处理器中， 分支指令不影响程序性能。但是在具有流水的处理器中，分支指令导致流水级 中需要插入气泡(Bubble)，影响处理器性能。因此分支预测应运而生，分支预 测指的是在计算出分支跳转结果之前，预测分支的跳转方向，提前执行预测结 果处的指令，如果分支结果和预测结果相同，那么提前执行的指令为有效指令， 否则回滚提前执行的指令。

随着处理器技术的发展，分支预测技术对处理器性能具有非常大的影响， 准确的分支预测和高效的错误预测结果回滚能够使处理器性能更加强劲。Intel 奔腾4处理器为了能够达到更高的频率，采用了非常深的流水结构，使得流水 级的每一步能够在更短的时间内完成。但是这样设计使分支预测付出了更大的 代价，由于深度的流水，当预测器错误预测分支结果时，处理器需要回滚更多 周期的错误结果，导致处理器性能低下，被人诟病。下面几个部分将详细叙述 分支预测技术的发展、先进的分支预测器以及多核时代下分支预测面临的挑战。

在指令级流水处理器发展的初始阶段，分支点之后的指令需要等到计算出 分支条件以后才能够进入流水，刚进入分支指令到计算出分支结果的时间间隔 内，指令流水级中插入气泡(Bubble)，这样的方式造成了处理器资源的浪费。 于是提出了一种最简单的分支预测方法，就是当处理器在执行过程中遇到分支 指令，则总认为分支指令是跳转的(Taken)或者不跳转的(Not Taken)。这样 分支点之后的指令就可以提前进入流水，等到计算出分支的结果以后判断预测 是否正确。这种方式对没有固定跳转模式的程序，预测的准确率相对较高。

静态分支预测在程序运行阶段缺乏灵活性，使得预测性能底下，于是人们 就提出了动态预测的方法。首先是一位计数器动态预测器，它记录分支指令的 执行结果，以0和1分别表示分支的不跳转和跳转，当下次再次执行到这些分 支指令的时候，就可以根据预测位来预测分支。如果是0则预测不跳转，如果 是1则预测跳转。每次分支在得到实际跳转结果以后更新预测位。

和一位预测器原理相同，后来又提出了多位计数器预测器，用来记录该分 支以前的跳转情况。如果当前预测位的值大于等于预测位最大值的一半，那么 预测该分支跳转，否则就预测该分支不跳转。如果实际结果是分支跳转，那么 预测位的值更新为原来的值加1，否则减1。多位预测器能够比一位预测器取得 更好的性能，因为多位预测器能够容忍分支跳转的波动。但实验结果表名，二 位计数器的预测器最适合动态分支预测，它存储空间较小而且状态转换更快。 在二位预测器中，0、1表示分支不跳转，2、3表示分支跳转。

在程序的执行过程中，当前分支的跳转与否又与该分支之前的分支跳转结 果有关，所以又通过一个全局历史寄存器(GHR，Global History Register)记录 了当前分支之前的k条分支跳转结果，然后用GHR去索引和更新模式历史表 (PHT，Pattern History Table)，PHT是由二位计数器组成的一个表。这种结构 也是以后Gshare、Gselect等预测器的基础结构。

而后发现由于只有一个独立的PHT，不同地址的分支共同读取和更新PHT， 导致了严重的相互干扰，于是为了取得更高的预测效率，预测器又为不同的地 址设立了不同的PHT，一方面由PC的地址去决定索引哪个PHT，另外一方面 又由GHR去索引PHT里面的内容。这样的预测器被叫做全局分支预测器，因 为不同地址的分支虽然分离的PHT，但还是共同使用一个GHR。

所以继而又提出了局部分支预测器，也就是说不同地址的分支分别维护各 自的GHR。预测过程中，首先由PC索引决定使用哪个PHT和GHR，然后再由 该GHR去索引PHT的内容作为预测。更新的过程中则只更新相应的PHT和 GHR。