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分支预测器BPU是深入研究一个高性能处理器的一个很好的开始项目；

0 Intro

条件分支是指后续具有两路可执行的分支。可以分为跳转分支(taken branch)和不跳转分支(not-taken branch)。不跳转分支，指接下来会顺序执行紧挨着JMP的指令。跳转分支，通过JMP跳转到另外一块内存去执行那里的指令。
分支预测器的主要功能是：预测执行过程中的分支指令(Eg: if-else、循环语句等)的跳转方向，进行提前取指并执行正确的指令流；
常见的分支预测器：
1.静态预测器：不依赖于程序执行历史，总是预测跳转或者不跳转；
2.动态预测器：一般使用一个计数器来记录分支跳转和不跳转的次数，如果跳转次数多于不跳转次数，则预测分支会跳转；
3.两级自适应预测器：使用一个全局历史寄存器来记录最近的分支执行情况，并依据这些信息来预测分支的跳转方向；
4.局部历史表：该预测器策略为每个分支维护一个局部历史表，记录该分支最近的执行情况，并依据这些信息来预测分支的跳转方向；
5.相关预测器：该预测器不仅考虑分支的历史执行情况，还考虑其他相关分支的执行情况，以提高预测的准确性；
依据上面的预测器原理可以设计成不同的预测器组件；

0.1 CPU执行过程

典型CPU执行五级流水线：取指、译码、执行、访存和写回；
取指：根据程序计数器（pc）的记录，依次取出指令传递给译码单元并更新pc；
译码：根据不同的指令集架构进行指令行为区分，识别出指令的操作及操作数等；
执行：得到指令的对应的操作类型及操作数后，进行执行操作；
访存：从memory中读取或写入memory中；
写回：将指令执行的结果写回到寄存器中，用于后续指令；

为了提高CPU的性能，减少时钟浪费，一般措施是引入：引入分支预测及乱序执行技术；
乱序执行：可以提高指令执行的效率，当前条指令处于等待状态而后续的指令不依赖于前条指令时，可以优先执行后续指令，通过引入乱序执行，有效缩短指令执行时间。
分支预测：可以避免流水线的空闲等待，在指令流水型执行时，不必等待执行结果，提前进行指令预测并取指令进行后续动作，可以大大减少指令等待时间，接下来对分支预测技术进行详细介绍。

0.2 分支预测

分支预测主要用来预测下一条指令，当没有分支预测机制时，需要等待指令操作数计算出跳转地址后才能确定下一条执行指令，并由取指令单元取指令，这个过程会导致流水线处于等待状态。对于现代处理器来说，若预测结果错误，需要冲刷流水线。
预测任务主要分为两个部分：1.预测是否跳转；2.预测跳转的地址；
静态与动态预测器的区别：就是会不会参考程序的执行历史；
最典型的动态预测器：2-bit饱和计数器；----状态机表示的逻辑还是很清楚的；

最最理想的情况：可以为每一个分支都分配一个2bit饱和计数器，但是这样的做法会带来巨大的开销，因此一般情况下使用pc的一部分去寻址pattern history table（PHT），查询表中饱和计数器的数值，做出预测，但会导致不同分支寻址到相同的表项而做出错误的预测（aliasing），我们会在下面提到一些解决方法：

0.2.1 TAGE预测器

利用饱和计数器作为预测表项–TAGE预测器；

TAGE预测器核心思想：使用多个不同长度的历史寄存器来捕捉分支指令的历史行为。
TAGE的预测机制：Base Predicitor使用PC部分位来索引，3bit饱和计数器用于计算预测结果，2bit的userful counter及partial tage作为表项，构成标记预测器；

四个标记预测器采用不同长度的全局历史寄存器（GHR），四个标记预测表大小一致，因此需要先将GHR压缩为相同位宽后与PC部分位进行哈希作为索引查询表项（利用哈希解决aliasing问题），查询到tag命中（tag的哈希计算方法不同于索引的哈希计算方法），则取出该标记预测器的预测结果，预测结果由3bit的饱和计数器计算得出。
Tage最终的预测结果取GHR最长的标记预测器的预测结果。
上述表格：predictor(3bit饱和计数器)+ tag(1bit 是否命中) + u(userful counter用来记录是否需要更新)。

0.2.2 跳转地址

上面是解决的分支指令跳不跳的问题–即taken or not taken的问题；
当做出对跳转的预测时，需要查询跳转的地址，这一部分一般由BTB实现。BTB是类似于cache的结构，主要用来记录目标的跳转地址。BTB表用（partial）pc作为索引，当一个分支指令第一次执行时，记录该分支指令的目标地址并分配一个表项，当前面提到的预测器得到taken/not taken的预测结果后，在BTB中查询跳转地址。

未完待续…
[Ref]
https://www.birentech.com/Research_nstitute_details/1.html