分支預測技術對性能影響研究

徐永新

（華為技術有限公司 江蘇省南京市 210012）

為了提升處理性能，現代CPU 采用多級流水線機制，經典的五級流水線分成取指，譯碼，執行，訪存，寫回等幾個階段。流水線機制可以有效提升指令的并行度，但是存在一些流水線沖突的場景，造成流水線效率的降低。這樣的流水線沖突包括結構沖突，控制沖突和數據沖突。

流水線的控制沖突也稱為分支沖突。程序執行過程中有許多分支跳轉的情況，流水線遇到分支跳轉時，并不知道后面要真正執行的指令在哪里，因為分支跳轉的目標地址還沒有被計算出來。這個時候流水線就需要采用某種策略，來預測后面將要執行的分支。如果預測對了，那么流水線的效率將能維持在較好的水平。反之，預測錯了，則錯誤的流水線處理結果都會被丟棄，重新從正確的目標地址取出指令重新執行，這將嚴重影響流水線的執行效率。

1 分支預測技術

1.1 靜態分支預測器

靜態分支預測是一種實現簡單的方法，比如預測永遠不發生跳轉，取指單元總是按順序取指，直到發現錯誤才丟棄不正確的中間狀態，重新取指。

靜態分支預測特點是實現簡單，但是預測的精度不高，在早期的CPU 設計中會使用這種方式。

1.2 動態分支預測器

現代處理器使用較多的是動態分支預測器，該類預測器能夠記錄分支的歷史跳轉信息，來預測將要執行的分支跳轉行為。如果由于程序執行的行為發生改變，預測器也會根據執行情況自動調整，從而擁有較好的預測準確度和自適應性。……