指令级并行--控制相关的动态解决技术

只要预测出错，往往是连续两次而不是一次。
5.解决方法 采用两个预测位的预测机制。 在两个预测位的分支预测中，更改对分支的 预测必须有两次连续预测错误。 两位分支预测的状态转换图
虚拟存储器的特点
9／28
4.3 控制相关的动态解决技术
分支不成功 分支成功 分支成功 分支不成功 分支预测： 不成功 01 分支成功 00 11 分支成功 10
F8,F6,F2
F10,F0,F6 F6,F8,F2
25／28
4.3 控制相关的动态解决技术
解 状态如图4.15所示。
保留站
名称
Add1
忙 操作 no no
Vj
Vk
Qj
Qk
目的
Add2
Add3
no
#3 #5
Regs[4 Mult1 no MULTD Mem[45+Regs[R2]] Mem[34+Regs[R2]] #3 Mult2 yes DIVD
第四章 指令级并行
4.3 控制相关的动态解决技术

处理器一个时钟周期流出多条指令受到以下两 个因素的限制：
• •
流出 n 条指令的处理器中，遇到分支指令 的 速度也快了n倍；
根据 Amdahl 定律可知，随着机器 CPI 的降 低 ， 控制相关对性能的影响越来越大。
虚拟存储器的特点
1／28
4.3 控制相关的动态解决技术
20／28
4.3 控制相关的动态解决技术
（2）在控制相关消除之前指令前瞻执行； （3）对基本块采用动态调度。 2. 基于硬件的前瞻是动态地根据数据相关性来选择 指令和指令的执行时间。
实质：数据流驱动运行（data-flow execution）
只要操作数有效，指令就可以执行。 3.指令的确认 前瞻执行的指令产生的结果要一直到指令处 于非前瞻执行状态时，才能确定为最终结果，才
虚拟存储器的特点
13／28
1. 分支目标缓冲结构和工作过程
当前 PC 查找、比较 地址标示 分 支 目 标 缓 冲 分支目标 PC 分支目标指令
命中？ N
Y
命中，则认为本指令是分支，且分支成功，以分支 目标缓冲中分支目标 PC 作为下一条指令地址
没有命中，则认为本指令不是 分支，按普通指令执行
图4.12 分支目标缓冲的结构和工作过程
虚拟存储器的特点
18／28
4.3 控制相关的动态解决技术
4. 对分支预测机制的一种改进 在缓冲区中不仅存入目的地址，而且还存入一 个或多个目标指令。 有两种潜在的好处：

在连续取指令之前，可以较长时间的访问缓冲 区，这时的分支目的缓冲区较大。
对目的指令进行缓冲，构成称为分支目标指令 缓冲（branch folding）的结构，它可使无条 件分支的延迟达到零，甚至有的条件分支也可 达到零延迟 。
26／28
ROB
项号
1
忙 no no LD LD
指令
F6,34(R2) F2,45(R3) F8,F6,F2 F10,F0,F6
状态 确认 确认 写结果 写结果 执行
目的
F6 F2 F0
值 Mem[34+Regs[R2]] Mem[45+Regs[R3]] #2Regs[F4] #1-#2
2
3 4 5 6
虚拟存储器的特点
12／28
4.3 控制相关的动态解决技术
4.3.2 分支目标缓冲
目标：将分支的开销降为零。 方法：分支目标缓冲 将分支成功的分支指令的地址和它的分支目 标地址都放到一个缓冲区中保存起来，缓冲区 以分支指令的地址作为标示；取指令阶段，所 有指令地址都与保存的标示作比较，一旦相同， 我们就认为本指令是分支指令，且认为它转移 成功，并且它的分支目标（下一条指令）地址 就是保存在缓冲区中的分支目标地址。 这个缓冲区就是分支目标缓冲区（BranchTarget Buffer，简记为BTB，或者BranchTarget Cache）。
23／28
虚拟存储器的特点

使用再定序缓冲的处理部件的硬件结构
从指令部件来 再定序缓冲 ……
浮点 操作 队列
去存储器 操作总线 操作数总线 (地址/数据)
浮点寄存器组
保留站 从存储器来 (取的结果) ） FP 加法器 公共数据总线 FP 乘法器
图4.14 采用Tomasulo算法并支持前瞻执行的DLX浮点部件的结构
决定预测的走向。 记录分支历史的方法有以下几种： （1）仅仅记录最近一次或最近几次的分支历史； （2）记录分支成功的目标地址；
•，相当于前
面两种方式的结合； （4）记录分支目标地址的一条或若干条指令。
虚拟存储器的特点
3／28
4.3 控制相关的动态解决技术
分支预测缓冲技术（Branch-Prediction Buffer或者 Branch History Table，简写为BTB或者BHT）： 目前广泛使用的最简单的动态分支预测技术。 使用一片存储区域，记录最近一次或几次分支特 征的历史。 1. 只有1个预测位的分支预测缓冲
2
2 0
不是
不是
表4.3 采用BTB技术时指令在各种情况下的延迟
虚拟存储器的特点
16／28
4.3 控制相关的动态解决技术
例4.7 按表4.3计算分支转移总的延迟，根据下面的假 设，计算分支目标缓冲的性能。 （1）对于BTB中的指令，预测准确率90% （2）缓冲区命中率90% （3）不在BTB中分支转移成功的比例为60% 解 根据表4.3的分类，性能计算包括4个部分： （ 1 ）在 BTB 中，预测成功，实际成功，此时的 延迟为0。 （2）在BTB中，预测成功，实际不成功，此时 的延迟为：
虚拟存储器的特点
5／28
4.3 控制相关的动态解决技术
2. 分支预测缓冲技术包括两个步骤

分支预测 如果当前缓冲记录的预测位为“1”，则预
测分为成功；如果预测位为“0”，则预测分支 为不成功。

预测位修改 如果当前分支成功，则预测位置为“1”； 如果当前分支不成功，预测位置为“0”。
3. 分 支 预 测 错 误 时， 预测位就被修改 ，并且需 要恢复现场，程序从分支指令处重新执行。
否则预测下一次分支不成功。

预测位的修改和两位预测时相同： 当分支成功时计数器的值加1，不成功时减1。

研究表明： n位分支预测的性能和两位分支预测差不多， 因而大多数处理器都只采用两位分支预测。
11／28
4.3 控制相关的动态解决技术
7.对于真实的应用程序，两位的分支预测的准 确率可达到多少呢？ SPEC89标准程序的测试： 在 使 用 4096 个 记 录 项 的 缓 冲 区 时 ， 分 支 预测准确率可达到99%到82%。 使用无穷多历史记录项的分支预测缓冲， 只有少量程序的分支预测准确率仅仅比 4096 个记录项提高 1% ，多数程序的预测精度是相 同的。 因此，对于 SPEC89 应用环境而言， 4K 的 缓冲区是恰当的。 8.上述分支预测机制对于改进后的DLX流水线没 有帮助。
虚拟存储器的特点
6／28
4.3 控制相关的动态解决技术
得到分支结果 i+1 分支指令 i-1 i i+2
猜测执行路径 实际执行路径
p+1
p+2
图4.10 分支预测执行不成功和重新执行过程
虚拟存储器的特点
7／28
4.3 控制相关的动态解决技术
例4.6 一个循环共循环10次，它将分支成功9次， 1 次不成功。假设此分支的预测位始终在 缓冲区中。那么分支预测的准确性是多少？ 解 这种固定的预测将会在第一次和最后一次 循环中出现预测错误。
4.3 控制相关的动态解决技术
分支预测： 成功
分支不成功 分支不成功
图4.11 具有两个分支预测位的分支预测缓冲状态转换机制
虚拟存储器的特点
10／28
4.3 控制相关的动态解决技术
6. n位分支预测缓冲

采用n位计数器，则计数器的值在0到2n-1之间：
当 计 数 器 的 值 大 于 或 等 于 最 大 值 的 一 半 （ 2n-1 ） 时，则预测下一次分支成功；
yes MULTD F0,F2,F4
yes SUBD yes DIVD
F8
F10 F6
yes ADDD
F6,F8,F2
写结果
#4+#2
浮点寄存器状态表
域 ROB号 忙
F0 3 yes
F2
F4
F6 6
F8 4 yes
F10 5 yes
… … …
F30
no
no
yes
no
通过再定序缓冲，可以在进行精确异常处理的同时进行动态指令调度。
第一次预测错误是源于上次程序的执行， 因为上一次程序最后一次分支是不成功的。
最后一次预测错误是不可避免的，因为前 面的分支总是成功，共九次。 因此，尽管分支成功的比例率是90%， 但分支预测的准确性为80%（两次不正确， 8次确）。
虚拟存储器的特点
8／28
4.3 控制相关的动态解决技术
4.1位预测机制的缺点
预测错误，清除取来的 指令并从分支的另外 一个目标取指令，删除 BTB 中对应项
预测成功， 后续指令无 延迟执行
问题：解决预测错误或不命中的延迟。
4.3 控制相关的动态解决技术
3. 采用BTB技术时指令在各种情况下的延迟
指令在BTB中？ 预测结果 实际的动作 是 是 延迟周期 0
成功
成功
成功
不成功 成功 不成功

索引：分支指令地址的低位。

存储区：1位的分支历史记录位，又称为
预测位，记录该指令最近一次 分支是否成功。