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第4课

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Instruction-Level Parallelism (ILP)

Hazards

  • Structure Hazard
  • Data Hazard
    • 下面这几个很重要,上课做题了的!下面这几种是对于乱序而言的;image-20230313161242094
  • Control Hazard

Dynamic Branch Prediction

riscv一般不使用分支延迟槽,而采用分支预测;image-20230313162523441image-20230313162546646

  • 静态:编译器来完成;
  • 动态:也就是BHT的运用;
    • 优点1:可以更快地获取分支目标处的指令;
    • 优点2:它可以在分支目标上提供多个指令,这对于多处理器是必需的;
    • 优点3:可以不延迟地实现无条件分支,有时也可以不延迟地实现有条件分支;
  • 对比:通常静态分支预测方法不需要太多硬件资源,不过它会提高编译器的复杂度,同理动态预测方法会增加硬件的复杂度,但是对编译器的要求不会太高。通常动态预测的结果会比较好,并且在编译期后决定分支,对面向对象的代码提供了更好的兼容性。

Branch History Table(BHT)

  • BHT决定是否采用BTB的目标地址跳转(即:跳不跳?taken or not taken);

  • 运行时进行分支预测,比如对分支预测有一个table;

    • 一位:image-20230313162757147image-20230313162817419
    • 两位(可以有效防止循环的惩罚):image-20230313162840583
    • 四位:比两位的命中率提升较小;
      • 当处于处于00状态时候,预测顺序分支 预测成功,仍处于00状态 预测失败,则调整为01状态
      • 当处于01状态时,继续预测顺序分支 预测成功,则调整为00状态 预测失败,则调整为10状态
      • 当处于10状态时,预测其他分支 预测成功,则调整为11状态 预测失败,则调整为01状态
      • 当处于11状态时,预测其他分支 预测成功,仍处于11状态 预测失败,则回退到10状态

Branch-Targrt Buffers(BTB)

  • BTB主要记录分支指令跳转目标地址(即:往哪里跳? branch target);

  • 标记分支状态以及分支历史的一段内存被称为BTB,这段内存非常小,仅仅存储了分支指令地址,以及预测的目标地址,以及预测的位。

  • 不能太小也不能太大,太大查找也要耗费时间,而且浪费硬件的空间,太小的话起不到buffer的作用了;

  • image-20230313215436888

  • 看如下图所示的流程图就能清晰地掌握工作原理:image-20230313215417895image-20230313221122350

  • 当一个分支指令第一次执行时,处理器为该指令分配一个Entry放入BTB中,当指令读取请求的时候,将该指令同步放到L1的Instruction Cache以及BTB中,如果在BTB中Match上该指令,Branch Target Address将会从BTB中被读取。当指令分支执行完毕后,它的Target Address也会在BTB中被更新,Prediction Statistics也同样会更新。image-20230309084331310

Hazards 与 指令依赖的关系

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