計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電子教案(2)(編輯修改稿)
2025-06-15 16:33 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 到分支結(jié)果 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 14 分支歷史表的英文縮寫是 BHT（ Branch History Table） (1) 1位 BHT方法 表中給最近遇到的每條分支指令分配 1個(gè) bit的記錄單元， 0表示上次分支不成功， 1表示上次分支成功。 BHT表可以設(shè)在指令 Cache中，也可以用一個(gè)專門的 RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)。查表方法是相聯(lián)比較。表的容量決定了能為多少個(gè)“最近用到”的分支指令記錄歷史信息。裝滿之后可以按“先進(jìn)先出”或“最近最少使用”策略進(jìn)行替換。 分支歷史表 BHT 方法（ P134） 分支 指令 地址 分支 方向 （ 0 失敗 /1 成功 ） xxxxxxxx 0 xxxxxxxx 1 … ….. … xxxxxxxx 0 11111111 無(wú) 意義 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 15 (2) 2位 BHT方法 有的分支指令會(huì)有“臨時(shí)性換向”，比如一段循環(huán)程序末尾的“返回指令”可能在 n1次分支成功后跟 1次分支失敗，但是下一次再執(zhí)行這段循環(huán)程序，“返回指令”又應(yīng)該按分支成功猜測(cè)。為了避免“ 1位 BHT方法”被這種偶然變化所“欺騙”，可以使用 2bit信息記錄，只有連續(xù) 2次“猜錯(cuò)”才會(huì)“改口”猜另一方向。具體算法見下圖。 分支歷史表 BHT 方法（續(xù)） 預(yù)測(cè)分支： 成功 預(yù)測(cè)分支： 不成功 00 01 分支成功 分支不成功 分支成功 分支不成功 10 11 分支成功 分支不成功 分支成功 分支不成功 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 16 分支目標(biāo)緩沖器 的英文縮寫是 BTB（ BranchTarget Buffer）， 也稱分支目標(biāo) Cache（ ranchTarget Cache）。 上面介紹的 BHT表只保存了分支指令地址和成功轉(zhuǎn)移的方向，沒有保存成功轉(zhuǎn)移的目標(biāo)地址，即只猜“是否轉(zhuǎn)移”，不猜“轉(zhuǎn)到哪里”，在轉(zhuǎn)移成功情況下即使“猜對(duì)了”也需要另花時(shí)間計(jì)算目標(biāo)地址，這對(duì)于判斷分支方向和計(jì)算目標(biāo)地址同時(shí)進(jìn)行的機(jī)器來(lái)說(shuō)起不到節(jié)省時(shí)間的作用。 分支目標(biāo)緩沖器 BTB表里面增加了成功轉(zhuǎn)移的目標(biāo)地址，如果“猜”本次轉(zhuǎn)移成功就可以立即用它取指，不等待目標(biāo)地址的計(jì)算結(jié)果，而“猜”本次分支失敗則不需要使用目標(biāo)地址。所以 BTB表只保存成功的分支指令地址及其目標(biāo)地址，不保存失敗的分支指令。遇到分支指令要“猜”時(shí)，采用并行比較來(lái)搜索，搜到匹配項(xiàng)猜“分支成功” ，沒有匹配項(xiàng)猜“分支失敗” ，而后者不需要 BTB提供目標(biāo)地址。 分支目標(biāo)緩沖器 BTB方法 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 17 BTB表的結(jié)構(gòu)： 分支目標(biāo)緩沖器 BTB方法（續(xù) 1） BTB 表 查找字段 讀出字段 成功轉(zhuǎn)移指令的地址 1 轉(zhuǎn)向的目標(biāo)地址 1 成功轉(zhuǎn)移指令的地址 2 轉(zhuǎn)向的目標(biāo)地址 2 …… …… …… …… …… …… 下條指令地址 （送 PC去） 匹配成功 信號(hào) 比較器 …… 當(dāng)前指令地址 （從 PC來(lái)） …… 比較器 比較器 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 18 BTB預(yù)測(cè)方法邏輯分支圖： 分支目標(biāo)緩沖器 BTB方法（續(xù) 2） 否 （預(yù)測(cè)錯(cuò)誤） 是 （預(yù)測(cè)錯(cuò)誤） ID周期： IF周期： 是 （預(yù)測(cè) “ 轉(zhuǎn)移 ” ） 否 （預(yù)測(cè) “ 不轉(zhuǎn)移 ” ） 啟動(dòng) BTB表查找成功 （命中）？ 取當(dāng)前指令；查找 BTB表 當(dāng)前指令譯碼；取下條指令 ID周期： 當(dāng)前指令譯碼；取下條指令 BTB表添加一條記錄，需若干拍； 重取下條指令，又需 1拍 當(dāng)前指令轉(zhuǎn)移成功？ 當(dāng)前指令轉(zhuǎn)移成功？ 否 （預(yù)測(cè)正確） 是 （預(yù)測(cè)正確） 延遲 0拍 延遲若干拍 +1 延遲 0拍 BTB表刪減一條記錄，需若干拍； 重取下條指令，又需 1拍 延遲若干拍 +1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 19 BTB預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)加入到流水線中： 分支目標(biāo)緩沖器 BTB方法（續(xù) 3） 相對(duì)跳轉(zhuǎn)距離 IF/ID BTB 命中？ BTB 表 …… …… 源址 目址 …… …… 指令 存儲(chǔ)器 MUX MUX ADD PC 4 NPC IR ADD 判跳成功？ 寄存器組 符號(hào)位擴(kuò)展 IF段 ID段 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 20 現(xiàn)在 分析采用 BTB預(yù)測(cè)方法的加速效果， 以 第 3章末尾（ P90） 的改進(jìn)后的 MIPS流水線為例 。 在采用 BTB預(yù)測(cè)方法之前，該流水線在 ID周期進(jìn)行分支判斷與計(jì)算目標(biāo)地址，
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