安腾处理器中多级分支预测机制

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1、http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛安腾处理器中多级分支预测机制苏铭赵荣彩宋宗宇(解放军信息工程大学郑州450002)E-mail:mingsu@sohu.com摘要：分支预测技术可消除分支指令之后损失的周期，防止流水线断流。高比率的分支预测精确度是高性能微处理器性能的保证。本文详细分析了安腾处理器（Itanium）多级分支预测机制，并研究了每级预测器的具体实现。关键词:分支预测安腾处理器中图分类号：TP311.11文献标识码：①项目基金资助：河南杰出人才创新基金（基金编号：052100020

2、0）Multi-levelBranchPredictionStrategyinItaniumProcessorSuMingZhaorongcaiSongzongyuTheInformationandEngineeringUniversityZhengZhou450002Abstract:Multi-levelpredictionstrategyenhancepredictionprecisionandimproveperformance.Inthispaper,weanalyzemulti-levelbranchpredictioninthefrontendandstu

3、dytheimplementationofeach-levelpredictoronthebasisofItaniumprocessorwhichisacommercialEPICprocessor.keyword:BranchpredictionEPIC1．引言频繁的分支指令改变了程序的正常控制流，制约了指令并行性的开发，而且这种性能损失对于宽发射深流水结构的高性能处理器来说更为严重，所以必须采取一种有效的措施来解决上述瓶颈。在EPIC体系结构中使用了判断执行技术来消除分支指令及其带来的影响，但判断执行技术不能去除全部的分支指令，只能去除部分分支指令——if分支指令。

4、针对无法消除的分支指令，为了减小对性能的影响，EPIC延用了传统体系结构中的处理方式，使用分支预测技术。分支预测技术是指在分支条件计算出来之前对分支执行路径进行猜测的过程。如果猜测结果正确将会减少处理器停顿、提高性能。对于分支预测来说，目标就是提高预测率，尽可能地减少误预测及其开销。本文以第一个商业可得的EPIC指令系统体系结构——IA-64为背景，以IA-64的第二代处理器芯片ItaniumⅡ为基础，详细分析了多级分支预测结构在提高预测率、减少误预测的开销方面的技术思路。2．多级分支预测结构框架由于判断执行技术的引入，与传统的分支预测结构相比，安腾处理器增添了许多新的

5、预测结构[1]。图1给出了流水线前端的多级分支预测结构图。从图上看出可分为4级预测结构，第一级预测结构采用了一个目标地址寄存器（TAR）表来保存分支的目标地址。第二级预测结构中，除了采用传统的动态预测表（BPT）对单分支指令进行预测外，还建立了动态多分支预测表（MBPT）对多路分支给予支持，同时使用返回栈缓冲区（RSB）结构对调用和返回分支指令进行预测。第三和第四级预测结构采用了分支地址计算（BAC1、BAC2）对无条件分支指令的预测进行支持，同时在第三级预测结构中针对循环指令最后一次循环退出时的误预测，使用了循环退出校正器结构（loopexitcorrector）结构

6、给予纠正，比较巧妙地实现了对循环结构的预测。作者单位：450002郑州解放军信息工程大学1http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛图1多级分支预测结构图由于使用多级预测结构，可能就会存在多个预测返回的结果同时修改当前IP的情况。所以要想正确而有效的处理指令，就必须定义各级预测的优先级。一般采用的原则是：不同时刻的同一指令按照图1自左向右的顺序优先级降低；对于同一时刻的不同指令，前面进入流水线的指令优先级要高于后面进入流水线的指令优先级。图2给出了多级分支预测结构的优先原则。图2多级分支预测结构优先

7、原则前端的多级分支预测包括两个层次：动态预测和静态预测。动态预测是使用预测硬件根据程序执行的历史来预测分支。静态预测是使用编译器提供的提示信息来确定预测的方向。图3给出了多级分支预测层次示意图。图3多级分支预测层次示意图下面我们将从硬件机制对于多级分支动态预测的支持和软件提示对于静态预测的支持两个方面进行具体描述。3．分支预测的硬件机制作者单位：450002郑州解放军信息工程大学2http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛3．1单周期预测器单周期预测器用于多级预测结构