流水线和分支指令

Posted 2023-03-23

【中文标题】流水线和分支指令

【英文标题】：Pipeline and branch instructions

【发布时间】：2015-09-09 21:58:25

【问题描述】：

假设程序中 20% 的指令是分支指令。跳转的静态预测假设跳转不会发生。

我应该在两种情况下找到执行时间：30% 的分支发生时和 70% 的分支发生时 我还应该找出一种情况与另一种情况相比的加速比，并以百分比表示。

问题是，我如何在这里找到执行时间？我通常会找到管道在不同阶段分离的执行时间，并且每个阶段都有时间......

编辑：这不是家庭作业。我在我的计算机体系结构教科书中找到了这个，它不是一个熟悉的练习。

【参考方案1】：

这个问题听起来像家庭作业，但值得讨论。

我们假设有一个总是预测 NOT TAKEN 的 static 分支预测器。这是早期 SPARC 和 MIPS 实现的分支预测器类型。这样的分支预测器总是获取程序中的下一条顺序指令。

我还假设我们有一个简化的 4 阶段管道，由 Fetch (F)、Decode (D)、Execute (E) 和 Write Back (W) 组成。考虑以下简化的汇编程序：

        ...
0xF1:   JUMP <condition>, 0xF4
0xF2:   ADD r1, r2, r3
0xF3:   ADD r3, r4, r1
0xF4:   ADD r1, r2, r3

当分支被正确预测时，管道会正常运行。问题是当分支被错误预测时，管道会发生什么。在我们的例子中，对应于 JUMP 指令 (0xF1) 的条件得到验证的情况。

0xF1:  F  D  E  W
0xF2:     F  D  X
0xF3:        F  X  
0xF4:           F

cycle  1  2  3  4

在 JUMP 指令的执行阶段，我们评估条件并检测必须采用分支。然而，由于分支预测器策略，我们已经获取指令0xF2 和0xF3 并解码0xF2。流水线被刷新，并在下一个时钟周期正确获取分支目标。从流水线中可以看出，我们浪费了 2 个时钟周期来获取和解码不会执行的指令。这 2 个时钟周期称为分支惩罚，在计算程序的执行时间时必须将它们考虑在内。

分支预测器的世界在现实中要复杂得多。存在更详细的静态分支预测器，例如，总是将前向跳转预测为 TAKEN，而后向跳转预测为 NOT TAKEN。为了减少 分支惩罚 周期，处理器通常使用分支目标缓冲区 (BTB)，它是一个小型缓存，用于存储最近执行的 JUMP 指令的目标。如果没有 BTB，要将分支预测为 TAKEN，我们必须等到解码阶段，其中指令被识别为 JUMP 并且目标地址被解码。与此同时，我们已经获取了一条指令，然后将被刷新。另一方面，使用 BTB，我们可以在 Fetch 阶段进行分支预测：如果程序计数器在 BTB 中，我们知道 2

获取的指令是一个分支 我们有它的目标地址

所以如果可以预测分支并且如果预测为TAKEN，我们可以获取它的目标而不会受到任何惩罚。 现代处理器还采用动态分支预测器，这些预测器使用复杂的策略以及一些额外的缓冲区来避免错误预测。