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正文內(nèi)容

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電子教案(2)(編輯修改稿)

2025-06-15 16:33 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 到分支結(jié)果 計算機系統(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 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,也可以用一個專門的 RAM來實現(xiàn)。查表方法是相聯(lián)比較。表的容量決定了能為多少個“最近用到”的分支指令記錄歷史信息。裝滿之后可以按“先進先出”或“最近最少使用”策略進行替換。 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 意義 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 15 (2) 2位 BHT方法 有的分支指令會有“臨時性換向”,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。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”才會“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)測分支: 成功 預(yù)測分支: 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 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 16 分支目標緩沖器 的英文縮寫是 BTB( BranchTarget Buffer), 也稱分支目標 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“猜對了”也需要另花時間計算目標地址,這對于判斷分支方向和計算目標地址同時進行的機器來說起不到節(jié)省時間的作用。 分支目標緩沖器 BTB表里面增加了成功轉(zhuǎn)移的目標地址,如果“猜”本次轉(zhuǎn)移成功就可以立即用它取指,不等待目標地址的計算結(jié)果,而“猜”本次分支失敗則不需要使用目標地址。所以 BTB表只保存成功的分支指令地址及其目標地址,不保存失敗的分支指令。遇到分支指令要“猜”時,采用并行比較來搜索,搜到匹配項猜“分支成功” ,沒有匹配項猜“分支失敗” ,而后者不需要 BTB提供目標地址。 分支目標緩沖器 BTB方法 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 17 BTB表的結(jié)構(gòu): 分支目標緩沖器 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)向的目標地址 1 成功轉(zhuǎn)移指令的地址 2 轉(zhuǎn)向的目標地址 2 …… …… …… …… …… …… 下條指令地址 (送 PC去) 匹配成功 信號 比較器 …… 當(dāng)前指令地址 (從 PC來) …… 比較器 比較器 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 18 BTB預(yù)測方法邏輯分支圖: 分支目標緩沖器 BTB方法(續(xù) 2) 否 (預(yù)測錯誤) 是 (預(yù)測錯誤) ID周期: IF周期: 是 (預(yù)測 “ 轉(zhuǎn)移 ” ) 否 (預(yù)測 “ 不轉(zhuǎn)移 ” ) 啟動 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)測正確) 是 (預(yù)測正確) 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 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 19 BTB預(yù)測機構(gòu)加入到流水線中: 分支目標緩沖器 BTB方法(續(xù) 3) 相對跳轉(zhuǎn)距離 IF/ID BTB 命中? BTB 表 …… …… 源址 目址 …… …… 指令 存儲器 MUX MUX ADD PC 4 NPC IR ADD 判跳成功? 寄存器組 符號位擴展 IF段 ID段 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 20 現(xiàn)在 分析采用 BTB預(yù)測方法的加速效果, 以 第 3章末尾( P90) 的改進后的 MIPS流水線為例 。 在采用 BTB預(yù)測方法之前,該流水線在 ID周期進行分支判斷與計算目標地址,
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