当前CPU中分支预测技术的普及程度有多大？

Question

由于对性能的巨大影响，我从未想过我当前的桌面CPU是否具有分支预测功能。当然它有。但是各种ARM产品呢？iPhone或Android手机有分支预测功能吗？旧款任天堂DS呢？基于PowerPC的Wii呢？PS3呢？

它们是否具有复杂的预测单元并不是那么重要，但如果它们至少拥有一些动态预测，并且它们是否执行了按预期分支的指令，则更为重要。

CPU分支预测的分水岭在哪里？几十年前的手持计算器显然没有分支预测，而我的台式机则有。但是有人能更清楚地概述可以期望哪些 CPU 具有动态分支预测吗？

如果不清楚，我所说的是条件正在变化，随着运行时期望路径的变化而进行的预测类型。

- porgarmingduod

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这是一个非常有趣的问题！我也想了解最流行的嵌入式处理器。 - hippietrail

Answer 1

任何流水线程数超过几个阶段的CPU都需要至少一些原始分支预测，否则它可能会因为等待计算结果而处于停滞状态，以便决定前进的方向。Intel Atom是一种有序核心，但具有相当深的流水线，因此需要一个相当不错的分支预测器。

旧的ARM7设计仅有三个阶段。再加上类似分支延迟槽（在MIPS上必须使用，在SPARC上是可选的）的东西，分支预测就不太有用了。

顺便说一下，当MIPS决定通过超过4个流水线阶段来提高性能时，分支延迟槽变成了一个麻烦。在最初的设计中，它是必要的，因为没有分支预测器。因此，在分支之前必须对分支指令进行排序，以便在分支之前执行最后的指令。随着更长的流水线，他们需要一个分支预测器，从而取消了需要分支延迟槽的需要，但他们仍然需要模拟它，以便运行旧代码。

分支延迟槽的问题在于它只有大约50%的时间可以填充有用的指令。其余的时间，您要么用一个结果可能被丢弃的指令填充它，要么使用一个NO-OP。

- Timothy Miller

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信息丰富。让我更接近对大致“截止点”的感觉。 - porgarmingduod

Answer 2

现今高端超标量CPU具有较长的流水线（这意味着几乎所有常见于台式机和服务器的CPU），其分支预测机制非常复杂。

大多数ARM CPU没有分支预测，这样可节省硅和功耗，但ARM CPU通常具有相对较短的流水线。此外，ARM ISA中大多数指令的条件执行支持有助于减少所需分支的数量（从而缓解分支误判带来的代价）。

- Paul R

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由于NEON管道落后于主ARM管道，如果您正在进行NEON计算，则会出现显着的分支失误惩罚。 - Anthony Blake

@Anthony Blake：说得好 - 因此，在混合使用NEON指令时，使用条件执行而不是分支可能是一个好主意。 - Paul R

Answer 3

分支预测在ARM变得更加复杂时变得越来越重要和强调。例如，新的64位ARM架构称为ARMv8减少了大部分条件执行（主要是由于指令编码空间限制与增加的寄存器数量），并依赖于分支预测来保持性能达到可接受的水平。即使对于更新的ARMv7-a设备，您也可以检查像unsorted data question on SO这样的糟糕情况，其中分支预测的改进约为3倍。

- auselen

Answer 4

在任何乱序处理器中，您都可以期望有动态分支预测器，这些处理器不仅依赖于流水线技术，而且一次获取多个指令，并且它们具有多个执行单元（浮点单元、ALU）和更多的寄存器；为了增加指令执行，您可以在任何给定时刻同时执行多个指令，当然，如果您想保持所有机器利用率高，分支是一个问题，因此这种处理器依靠动态分支预测以保持吞吐量和利用率非常高。

您可以期望任何服务器都有动态分支预测，也包括台式机，在过去，像当前智能手机中的ARM芯片这样的嵌入式系统没有分支预测，因为它们具有较小的流水线，并且它们没有乱序执行，但随着摩尔定律为我们提供更多的晶体管面积，您将开始看到越来越多的处理器增加其架构。因此，回答您的问题，除了显而易见地查找CPU规格外，您可以期望32位芯片、更大的流水线、乱序执行具有分支预测。最近的ARM芯片正在某种程度上朝这个方向发展。

- Germán Alfaro

Answer 5

虽然ARM Cortex-A8有一些分支预测，但并不是很多。我相信Cortex-A9是乱序超标量的，具有复杂的分支预测。

- Anthony Blake

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谢谢，但我正在寻找一个更一般性的答案。说Cortex-A8有“不多，但有一些”也没有帮助。 - porgarmingduod

另外，我刚发现ARM Cortex-A8对于未命中分支有13个时钟周期的惩罚，因此我认为可以说它非常重视分支预测。 - porgarmingduod