《大话处理器》连载——微架构(10) 分支预测实现与条件执行

(2) 分支预测实现

       算法是基础，有了算法后，就可以在处理器中实现分支预测功能。Intel的分支预测模块包含了3个单元：

       1.         Branch Target Buffer(BTB)

       2.         The Static Predictor

       3.         Return Stack

       基本的BTB结构如下： 

BTB(Branch Target Buffer)

        分支指令在执行后，会将这条指令的地址以及它的跳转信息记录在BTB中。BTB buffer不会太大，不能将所有的分支指令都存进去，通常采用Hash表的方式存入。在取指时，先将PC(程序指针)和BTB中的分支指令的地址进行比较，如果找到了，说明这条指令是分支指令，并且在BTB中有记录，就使用BTB预测出来的跳转地址。如果没有记录，就不能使用BTB的信息了，取指下一条指令。

        Intel的Branch Target Buffer还包含了历史跳转信息，用于预测分支指令是否发生跳转。

 

The Static Predictor

        当分支指令在BTB中记录了历史信息才能使用BTB进行预测，当分支在BTB中找不到记录时，可以使用The Static Predictor(静态预测器)。人们将分支指令的执行情况做了大量的统计，从中总结出一些特征，并将这些特征总结为一些固定的策略，这就是静态预测器。

        当指令被解码后，它是不是分支指令，以及要跳转的地方就知道了，只是不知道是否该跳。一般来说，向上的跳转，常用来组织成循环，这个跳转应该被预测为执行。

 

向上跳，组成循环

      静态预测器通常的策略是：向下跳转预测为不跳转，向上跳转预测为跳转。

 

Return Stack

       函数调用在程序中大量出现，函数调用与返回也都是通过跳转来实现的。例如，有3个函数调用了printf函数，printf函数地址固定，调用时知道地方，但是在返回时，并不知道该返回到哪个地方，Return Stack(返回栈)可以用于解决这个问题。在函数调用时，将函数的返回地址压栈到Return Stack中，当遇到函数返回指令时，就从Return Stack中取出地址。

3个函数都调度printf函数

(3) 条件执行

       分支预测会消耗大量的资源，很多低功耗的处理器没有分支预测，如TI的DSP，它采用指令的条件执行来减少跳转指令。例如：

if ( flag )

{

    a = b;

}

else

{

    a = c;

}

         用DSP的汇编表示为：

[B0]  ADD    .L2  B8, 0, B6

[!B0]  ADD  .L1  A8, 0, B6

        第1条语句在B0非0时执行，将b赋给 a，当B0为0时，这条语句为空，不执行。

        第2条语句在B0为0时执行，将c赋给 a，当B0为非0时，这条语句为空，不执行。

        在TI DSP中，只有几个寄存器能作为条件寄存器，对于短小的if、else语句，条件执行已经足够，对于复杂的if、else判断，条件执行就无能为力了，DSP并不擅长处理复杂的控制代码，这些还得需要分支预测。