计算机组织-“预测执行”（总是执行）分支预测是如何工作的？

Question

我可以理解“预测未执行”是如何工作的。它只是继续获取PC 4指令。直到分支被解决，如果分支被占用，则刷新之前获取的所有指令。

但我不明白“预测”是如何起作用的。我认为分支指令需要在解码阶段（分支目标地址计算需要完成），然后处理器才能预测它将被html" target="_blank">执行，对吗？

那么“预测采取”如何在MIPS 5级流水线等机器上实现？（分支目标地址计算和分支是否采取是在ID（指令解码）阶段决定的）

如果分支可以在ID阶段解析，这是否意味着预测是在If（指令获取）阶段完成的？

我很困惑，因为有人说“预测执行”或“预测未执行”称为“静态分支预测”，编译器将执行所有操作。因此，在“预测执行”的情况下，编译器将把分支目标指令插入分支指令之后的位置。

我的想法正确吗？还是他的话是正确的？

Answer 1

MIPS具有分支延迟槽，可以隐藏简单的5级管道的分支延迟，对于无条件分支（在ID中检测到，提取后的阶段），甚至对于有条件分支，可以通过在EX的前半部分评估它们来及时转发到IF的后半部分。（MIPS I R2000做到了这一点）。

但是，完全避免提取泡沫需要在解码之前预测分支的存在，以及它们的目标地址。(包括无条件直接分支机构)。真正的预测者会这样做。有关现代x86上的示例，请参见慢速jmp指令。

但这与经典的5级RISC相差甚远。

如果您将这样一个动态预测器放入一个没有分支延迟槽的5级RISC中，例如一个简单的RISC-V，您可能会让它在fetch当前获取的位置之前进行检查，这样您就可以预测下一个周期中要获取的内容。

您只能对条件分支使用静态总是执行预测。(并且通常只有向后位移，因为那些通常是循环分支；预测前向分支不被采用在实践中效果很好，尤其是当编译器/程序员相应地布置他们的代码时，因此< code>if()类型分支的常见情况是不被采用)。当你发现有一个分支的时候，你已经知道它是否是无条件的，在这种情况下不需要任何预测。

如果您还没有使用MIPS I分支条件早期评估之类的技巧，您的分支延迟将是条件分支的2个周期（IF到EX）。静态总是采取的预测会将其缩短到1个周期（IF到ID）。不是0，如你所说，因为在分支指令本身被解码时，未采取的路径仍在被获取。

也就是说，您可以设计ID阶段，以便在看到条件分支时为下一个周期重新定向fetch。（可能是在检查向前/向后的位移之后，即仅检查2补码值的高位。）

因此，您可以针对前向分支的跌落和循环向后分支进行优化，因为它们相对常见。为了做得更好，您需要使用动态预测的缓存，按地址或以各种复杂方式（例如，TAGE使用最近的分支历史记录作为索引的一部分，并查看 https://danluu.com/branch-prediction/，了解从非常简单到不太简单的预测器的历史进度）。