理解分支预测

Question

有一些关于分支预测的问题，我无法自信地解决。假设我必须使用静态分支预测。

1. 分支预测应该在流水线的哪个阶段发生？
2. 如何知道预测出现了错误？数据路径如何知道发生了错误预测？
3. 如果它知道发生了错误预测，它如何发送信号以采取未采取的分支？
4. 在它出现错误之后，我必须采取先前没有采取的地址。同时，如果发生了某些内存写入或寄存器写入，该怎么办？如何防止它发生？

即使提供一些带有数据路径的适当参考也将非常有帮助。提前致谢。

- Ankit Shubham

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这里是ARMv8-A的参考手册链接：http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.ddi0406c/index.html。只有注册用户才能访问。如果您感兴趣，我对PPC分支预测也有一些了解。只要说一声。 - Andreas

我知道如何访问参考手册。你对哪个 ARM 模型感兴趣吗？ - Andreas

如果您拥有Cortex-A8... - Ankit Shubham

Answer 1

我猜可能有许多不同的机制可供选择，以下是一些快速的回答：

1. 分支预测必须在指令解码之前进行，在提取阶段。否则，你将解码不正确的指令。
2. 通常，你会给出与预测分支指令相关的额外信息，如预测的目标。分支将被执行，如果实际目标与预测的目标不匹配，你需要清空流水线。
3. 这真的取决于具体实现。如果分支被执行，你可以使用实际目标，就像未预测到的分支一样。
4. 你肯定需要一个恢复机制，或者等待分支解决后再写入结果。这会浪费一些时间，但不会像未预测到的分支那样浪费时间。

- Dric512

Answer 2

我花了一些时间阅读Cortex-A8的参考手册：http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0344k/DDI0344K_cortex_a8_r3p2_trm.pdf 从5.1节中可以看出：

处理器包含程序流预测硬件，也称为分支预测。禁用程序流预测时，所有取出的分支都会产生13个周期的惩罚。启用程序流预测后，所有错误预测的分支都会产生13个周期的惩罚。

基本上这意味着静态分支预测总是假设分支为false。这与PowerPC不同，后者有“特殊指令”来提示处理器有关已取/未取分支的信息（后缀+/-）。

从1.3.1节中可以看出：

指令获取单元预测指令流，从L1指令高速缓存中获取指令，并将获取的指令放入缓冲区以供解码管道消耗。

第一阶段Instruction Fetch进行预测。

来自第7.6.2节：

指令可以在被获取和执行之间保留在流水线中。由于流水线中可能有几个未解决的分支，因此指令获取是投机的，这意味着不能保证它们会被执行。代码流中的分支或异常指令可能导致流水线刷新，丢弃当前获取的指令。开始时没有空的流水线的获取或指令表遍历被标记为投机。如果流水线到达分支和异常解析点之前包含任何指令，则认为流水线不为空。

我理解为在处理分支时，没有任何东西达到执行阶段。如果在指令执行中执行分支时发生了错误预测，则流水线中的所有指令都将“清除”。它们永远不会被执行。这应该回答了问题2和4。不太确定“标记”是如何执行的。

3. 我不知道它如何发送信号。据我所知，参考手册没有涵盖那部分。猜想这是魔法。

（记录一下，我发现我习惯的PowerPC参考手册（e500/e600）更容易理解，因为有许多指令定时示例。）

- Andreas