【CPU微架构】分支预测（二）常用分支预测算法

上一节介绍分支预测的作用和相关指令分类。本节主要介绍常用的分支预测算法

（一）预测算法分类：

当CPU碰到跳转指令时，可以选择以下三种方法：

不预测，将流水线停滞，等到方向确定了再取接下来的指令；
固定往左或者往右，如果走错了，则返回岔路口；简称静态预测
将岔路口信息记下来，以后就可以预测它大概率往哪儿走；简称动态预测

这三种方法都是CPU常用的一些手段，在流水线和超标量CPU诞生前，通常采用方法1将流水线停滞；在一些微控制器领域，通常为了节省功耗，采用方法2静态预测方式；在高性能CPU领域，通常以动态预测为主，并结合静态预测，以达到较高的准确度，提升cpu性能。接下来部分主要介绍动态预测算法。

（二）动态预测方法

上一节讲述到，预测的核心问题有两个：跳不跳？跳到哪里？下面介绍2-bit饱和计数器和Gshare，tage来解决跳不跳问题，btb来解决跳到哪里的问题。

2- bit 饱和计数器：

所谓2-bit计数器，即每条指令PC,通过一个2-bit的计数器，记录历史跳转情况：

（1）2-bit所能记录的数字包含00/01/10/11。

（2）分支实际跳转一次，计数器+1，不跳转，则-1。

（3）2-bit计数器当前状态为10或者11，则预测本次跳转，如果为00或者01，则预测本次不跳转。

实际研究表明，2-bit计数器相较于1-bit精度较高，如果再提高到3-bit，精度提升不明显。因此业界大多使用2-bit计数器。

Gshare 两级预测器：

何谓两级预测器？两级指的是自己的历史+别人的历史。为什么需要参考别人的历史跳转，可参考如下代码。

以上Gshare两级预测器，使用的是GR（global history register,包含所有分支的历史信息），再异或PC值，作为2-bit饱和计数器的索引值。

TAGE :

tage是一种处理器广泛使用的现代预测器，其解决的本质问题是，采用多个表支持不同长度的历史信息。

h表示的是全局历史信息，该历史信息可以是2bit(T1),也可以是4Bit（T2）…。本质上仍然是通过自己的历史+别人的历史来进行预测。只是别人的历史，长度可选。Tage详细的预测算法后面会再详细介绍。

BTB ：

以上2-bit饱和计数器和两级预测器能预测是否进行跳转，但是无法预测跳到哪里？跳转地址通常通过BTB（branch target buffer）进行预测，以下为简单BTB的结构，即通过PC索引历史跳转地址。

Return stack ：

上面跳转指令分类中，有一条较为特殊的指令–ret。当公共函数被调用时，ret后下一条指令可能是无法预测到。因此常用returnstack来进行指令保存：1）函数调用时，将函数函数调用的下一条指令入栈 2）当子函数ret时，将栈里的指令弹出。