处理器分支预测研究的历史和现状处理器分支预测研究的历史和现状 冯子军冯子军 肖俊华肖俊华 章隆兵章隆兵 摘要 摘要 在过去十几年中， 分支预测技术一直是提高处理器性能的重要方法， 工业界和学术界对之进行了大量研究。分支预测的本质是克服指令控制相关，提高指令并行度。随着研究的不断深入，当前学术界认为分支预测是一个指令学习的过程，这就使得对分支预测的研究出现了新的趋势。本文对分支预测技术的历史和研究现状进行了归纳，以便从总体上了解分支预测技术的发展过程。 1 引言引言 过去的十几年里，分支预测技术一直是提高通用处理器性能的重要方法。分支预测的本质是克服指令控制相关，提高指令并行度，从而使得处理器的性能得到提高。在这方面学术界和工业界都进行了大量的研究和实践，分支预测的重要性体现在以下几个方面： 首先，现在的通用处理器大多采用深度流水线和宽发射机制，分支预测是两者的关键支撑技术。虽然前两年英特尔（Intel）的奔腾 4（Pentium4）靠深度流水提高主频一直为人所诟病，但是同时应该注意到没有一定深度的流水，处理器频率就不可能太高，也就不会有很高的性能。目前x86 处理器一般都有 20－30 级的流水线。

此外展望新世纪体系结构时候，耶鲁.帕特（Yale.Patt）预测宽发射将成为单芯片集成 10 亿晶体管主要解决方案之一[1]， 而且宽发射也是提高单片处理器性能的重要手段之一，最近英特尔的新处理器Conroe就从原先奔腾的三发射提高到四发射，使得处理器性能提高 30％也是例证[2]。 简单的分析表明：在当前流行的深流水线宽发射体系结构中，分支预测率会严重影响取指带宽的利用率。在 5 发射 10 级流水线条件下，预测准确率为 90%时，带宽会浪费 47%；而如果准确率提高到 96%则带宽浪费可降低到 26%（一般处理器设计为 2 到 8 发射，此处为了计算方便假定 5 发射） 。 另外，分支预测技术不仅在高性能通用处理器中采用，而且在嵌入式处理器也广泛采用，所以作为一个处理器设计者，我们应该知道当前存在的分支预测的各种算法及其优缺点，这样才能对功耗和性能进行权衡。事实上，一种分支预测机制可能在某些应用中可以提高运算效率，但在另一些应用可能效果就不明显，因此设计者需要对不同应用采用不同的分支预测解决方案。 还应该指出，很好地理解分支指令对微处理器的设计至关重要，分支指令是计算机不同于计算器的最重要区别，使得计算机得以超越简单的数字计算功能转变为可以完成各种复杂任务和运算的信息处理装置。

分支指令决定了程序从取指令到执行指令的路径，对分支指令的特性和行为理解深刻就可以帮助处理器设计者来平衡处理器结构。在程序里面分支指令组合起来就形成了程序分支行为，后面的介绍将说明不同分支预测机制的提出就是根据这些程序行为来进行设计和改进的。分支行为是取指单元设计必须考虑的关键因素，而掌握更复杂的分支特性，比如分支相关，就能很好地帮助我们对不同应用选择和改进分支预测。 综上所述，可以知道分支预测的重要性，本文就处理器的分支预测技术的过去、现在和将来做一下总结和展望。本文首先介绍分支指令的性质和分支行为的一些属性，其次介绍分支预测的发展历程和主要的分支预测方法，然后介绍分支预测的最新进展，最后预测未来处理器设计分支可能会出现的问题和发展趋势。 2 分支行为分支行为 分支预测器设计的本质是在对分支指令行为认识的基础上，提出分支指令的预测机制，从而