2 位分支预测器的状态答案

【问题标题】：States of a 2-bit Branch Predictor2 位分支预测器的状态
【发布时间】：2020-04-04 16:53:54
【问题描述】：

我正在阅读 Patterson 和 Hennessy 所著的《计算机组织与设计：硬件/软件接口第 5 版》第 5 章中的动态分支预测部分时，我遇到了下图显示 2 位预测器的状态：

2 位预测器在两次预测错误后应该改变它的预测。但是根据这个图，当我们从左下状态开始时，如果机器在分支应该是“TAKEN”的时候预测“NOT TAKEN”两次，那么就达到了右上角的PREDICT TAKEN状态。然而，这里机器会改变状态到右下角PREDICT NOT TAKEN，即使它错误地预测了分支应该只被“NOT TAKEN”一次。

这不是错误的行为吗？这是否意味着状态机错误或我遗漏了什么？

当分支被 TAKEN 两次时，在底部 NOT TAKEN 深色状态，您可以看到达到的状态是浅色“不确定”状态，而根据我的说法，它应该是深色“确定”状态，因为该分支连续两次执行相同的操作。

【问题讨论】：

你认为什么行为是错误的？浅色状态表示 CPU“不确定”是否应该采用分支。在那种情况下，一个错误的预测就足以让它“改变主意”。当它处于深色状态时，它对分支更加“确定”，因此需要连续两次错误预测才能让它改变预测。显然，很容易找到病态的例子（例如，如果您从浅色状态开始并且具有交替模式，采取-未采取-采取-未采取-...，您可能会失败 100% 次）。
在底部 NOT TAKEN 深色状态下，当分支被 TAKEN 两次时，您可以看到达到的状态是浅色“不确定”状态，而根据我的说法，它应该是深色“确定”状态，因为分支连续两次执行相同的操作。

标签： cpu-architecture branch-prediction

【解决方案1】：

当分支被 TAKEN 两次时，在底部 NOT TAKEN 深色状态，您可以看到达到的状态是浅色“不确定”状态，而根据我的说法，它应该是深色“确定”状态，因为该分支连续两次执行相同的操作。

在两个连续的分支之后，浅蓝色状态会像您希望的那样预测。如果从那时起分支是，则不会有进一步的错误预测。我不认为你的“应该”是合理的。

这是一个 2 位饱和计数器；从 00 到 11 需要 3 个步骤，对应于该图的 3 个步骤。

您的想法可以使用 2 位状态来实现，以记录最后 2 个分支中的每个分支的走向。但是您如何区分未采用的循环分支一次（退出前一个循环）和/或再次被采用一次（下一个循环的第一个迭代）与一个很少采用的分支被采用一次？如图所示，实际的方法是在每个循环中错误地预测循环分支一次，仅在最后一次迭代失败时。下一次进入循环的第一次迭代预测正确，将其返回到强采用。

您可以在 Raffzahn 对 retrocomputing.SE 上How does the 68060 branch predictor work? 的回答中找到此类预测器的详细示例，包括当您遇到 BPB 未命中时的静态预测（向后采用，向前未采用）（此分支没有预测条目)。

2 位预测器非常远非完美；更高级的预测器还考虑全局历史是否比本地更好地预测该分支。 https://danluu.com/branch-prediction/

【讨论】：

在两个连续的分支之后，浅蓝色状态会像您希望的那样预测。如果从那时起执行分支，就不会再出现错误预测了。 - 是的，但是如果在处理器处于浅蓝色状态时没有执行一次分支会发生什么？根据图表，它立即进入浅灰色状态并开始预测 NOT TAKEN，这不应该是 2 位预测器应该做的。
@RijulGanguly：是的，无论您喜欢与否，这是 2 位预测器会做什么。为什么您认为不这样做会更好，或者您的“应该”声明有任何其他原因？
我意识到我在哪里犯了错误。在计算错误的 NOT TAKEN 预测时，我没有计算第二个错误的 TAKEN 预测。在我看来，状态系统似乎在仅仅一次错误的 TAKEN 预测之后改变了它的预测。谢谢你:)