Question

我最近在考虑现代CPU中的分支预测。据我所知，分支预测是必要的，因为在管道中执行指令时，我们在获取分支之前不知道条件操作的结果。

因为我知道现代无序CPU可以按任何顺序执行指令，只要它们之间的数据依赖性得到满足，我的问题是，CPU能否以分支目标已经存在的方式重新排序指令在CPU需要占用分支时已知，因此可以预测＆＃34;分支方向，所以它根本不需要猜测？

CPU也可以这样做：

do_some_work();
if(condition()) //evaluating here requires the cpu to guess the direction or stall
   do_this();
else
   do_that();

对此：

bool result = condition();
do_some_work(); //bunch of instructions that take longer than the pipeline length
if(result) //value of result is known, thus decision is always 100% correct
   do_this();
else
   do_that();

一个特殊且非常常见的用例是迭代集合，其中退出条件通常是循环不变的（因为我们通常不会在迭代时修改集合）。

我的问题是现代通常CPU可以做到这一点，如果是这样，已知哪些特定CPU内核具有此功能？

Answer 1

请记住，分支预测是在管道的早期完成的，您仍然没有解码指令，并且您无法解析数据依赖性，因为您不知道使用了哪个寄存器。您可能能够记住某个地方，但这不是100％（因为您的存储容量/时间将受到限制），所以这几乎是您的正常分支预测器所做的 - 仅根据指令指针推测目标。

然而，之前提取条件评估是有用的，它在过去已经完成，并且主要是编译器技术，但可以通过一些硬件支持来增强（例如 - hoisting branch condition）。分支机构错误预测的主要性能影响是评估延迟，因为现在分支机构恢复本身很短。

这意味着您可以通过编译器仅提升条件并稍早计算，并且不进行任何硬件修改来减轻大部分惩罚 - 如果您错误预测了分支（并且现代预测器的几率通常很低，但是你会在解码分支本身后立即知道（因为数据会提前准备好），所以损坏将仅限于很少的指令使它成为管道过了那个分支。

能够提升评估并不简单。在大多数情况下，编译器可能能够检测是否存在任何直接数据依赖性（在您的示例中为do_some_work()），但在大多数情况下会存在。循环不变量是编译器今天已经移动的第一件事。另外，一些最难以预测的分支依赖于一些内存提取，你通常不能假设内存保持不变（你可以，之后进行一些特殊的检查，但是大多数常见的编译器不会这样做）。无论哪种方式，它仍然是一种编译器技术，而不是分支预测的根本变化。

Answer 2

完成分支预测是因为CPU的指令获取器需要知道在分支指令之后要获取哪些指令，直到分支执行之后才知道这一点。

如果处理器有一个5级流水线（大多数处理器有更多），就像这样：

取指令
指令解码
注册阅读
ALU执行
注册回写

取出器将停止3个周期，因为在ALU执行周期之后才能知道分支结果。

提升分支测试条件并不能解决从分支指令到执行的延迟问题。

分支＆＃34;期待＆＃34;在现代CPU中

2 个答案: