当Skylake CPU（处理器）预测错误分支时会发生什么？

Question

当Skylake CPU（处理器）预测错误分支时会发生什么？

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我正在努力详细了解Skylake CPU管道各个阶段中指令在分支预测错误时发生的情况，以及正确分支目标的指令可以多快开始执行。因此，我们将这里的两个代码路径标记为红色（被预测但实际并未采取）和绿色（被采取但未被预测）。所以问题是： 1. 分支在管道中需要走多远，红色指令才开始被丢弃（它们被丢弃的管道阶段是哪些）？ 2. 多快（从分支达到的管道阶段来看）可以开始执行绿色指令？

我查看了Agner Fogg的文档和许多课堂笔记，但没有找到这些要点的明确说明。

- Steve Linton

1个回答

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原文链接

- Peter Cordes · Accepted Answer

分支执行单元（在端口0和6上）实际上是检查条件或间接分支的FLAGS或间接分支地址的单元。我认为一旦执行单元发现它，恢复就开始了，而不必等待其达到退役。（其中一些是我最好的猜测/理解，不一定由英特尔的优化手册支持）。

分支预测+推测执行将数据依赖性与控制依赖性分离，但分支uop本身确实对EFLAGS或间接地址输入有数据依赖性。

p0上的分支单元只能运行预测未采取JCC uops（或宏合并的JCC uops），但这些很常见。 p6上的分支单元是“主要”处理采取分支的单元。

对于直接分支（jmp rel8/rel32 / call rel32），可以在解码时检查预测并重新引导获取阶段，可能会暂停前端，但我认为从不需要触发任何类型的后端恢复。对于直接无条件分支，将不会发出错误路径的Uops。有用于管道重新引导的性能计数器。

分支预测错误可以通过分支顺序缓冲快速恢复，与通常的异常回滚到退役状态不同（中断发生时，流水线中的指令会发生什么？）。有关流水线如何将所有内容视为推测性操作直到退役，请参见乱序执行与推测执行。

根据David Kanter的Sandybridge微体系结构写作：

Nehalem增强了从分支预测错误中恢复的能力，并延续到了Sandy Bridge。一旦发现分支预测错误，核心就能够在正确路径已知的同时重新启动解码，同时乱序机器正在清除来自错误推测路径的uops。以前，解码直到流水线完全刷新才会恢复。

(Skylake's BOB有48个条目，因此有48个尚未执行的分支正在进行中。我认为BOB条目应该在分支uop执行时释放，而不需要保留分配直到退役。)

这是由分支预测缓冲区启用的“快速恢复”，它在条件和间接分支指令上快照寄存器重命名状态，即使在正常程序中也可能出现错误预测。但异常和内存排序机器清除更加昂贵。它们确实会发生（特别是页面故障），但它们更少见且更难进行优化。

快速恢复的关键点是，在被丢弃的后续uop正在执行并且前端重新定向到正确地址时，已经在ROB + RS（调度程序）中的误预测分支之前的uop可以继续执行。因此，如果JCC uop的输入足够早地准备好，如果CPU可以在恢复时处理长依赖链，那么大部分分支失误惩罚都可以隐藏。例如，从具有相当长的循环传递依赖链的循环退出，或任何瓶颈，而不是总uop吞吐量或端口6瓶颈。请参见通过提前计算条件来避免停顿流水线。

如果没有快速恢复，我认为ROB中的所有 uops都将被丢弃（即所有未退役的uops）。这里可能有一些折衷方案，例如保留已经执行的分支之前在ROB中但已离开调度程序的uops。我不知道Merom/Conroe确切做了什么。

相关内容：分析分支预测错误的惩罚是一篇有趣的论文，讨论了分支预测错误和长缓存错误如何与ROB交互。虽然它基于一个简化的流水线模型，但我认为它的发现可能适用于Skylake。