分支预测失败的处理

? ? 由于现代的超标量处理器采用了很多预测的方法来执行指令,并不是流水线中所有的指令都可以退休(retire),例如当流水线中的某条分支指令发生了预测错误,或者某条指令发生了异常，那么在这条指令之后进入流水线的所有指令就不允许退休了；

• 此时需要将这些指令从流水线中抹掉，并且对处理器进行状态恢复，然后从指定的地址开始重新取指令来执行。
• 在流水线的提交(Commit)阶段需要重点关注的指令还有store指令,由于它只有在退休的时候才可以真正地改变处理器的状态(即写D-Cache),如果在这个过程中发生了DCache 缺失，store指令会阻碍流水线中所有位于它后面的指令继续退休，因此需要对store指令进行特殊的处理。
• 在流水线的提交阶段还会对其他的指令有一些特殊的限制，以减少对处理器中其他部件的影响等
• 上述的这些内容都是在提交阶段需要考虑的特殊情况

分支预测失败的处理?

当在流水线中发现一条分支指令预测失败时，在它之后进入到流水线的所有指令都变得不正确了,但是这些指令可能已经完成了取指令、重命名甚至是执行的过程,所以当发现分支预测失败时,这些错误的指令都应该从流水线中被抹掉,同时处理器的状态(包括RAT,ARF和PC值等内容)都应该被恢复到开始执行分支指令时的状态。

处理器状态恢复过程分为两个独立的任务

• front-end recovery
  • rename stage之前的所有指令都抹掉；
  • 分支预测其中的GHR/BHR等历史状态表，进行恢复；
  • 使用正确的地址来取址；
• back-end recovery
  • 将issue queue/store buffer/rob等内部组件中的错误指令都抹掉；
  • 对RAT进行恢复；
  • 被错误指令占据的物理寄存器和ROB空间也要被释放；

前端的状态恢复很快就可以完成，处理器此时可以从正确的地址开始取指令，这些被取出来的指令可以一直执行到流水线的重命名阶段之前，在这段时间内，后端的状态恢复也在继续。

当满足如上的时间关系时，流水线就不需要暂停；

在backend阶段，最重要的恢复是RAT的恢复，此处只描述基于统一的PRF的RAT恢复；

• 此种方式，存在两个RAT:
  • 一个在renaming stage使用，其状态是speculative的，Speculative RAT;
  • 一个在commit stage使用，其状态永远是正确的，Architecture RAT(backup RAT);?

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恢复流程如下：

• ?发现预测失败的分支指令；
• 停止取新的指令，让流水线drain out, 等待分支指令之前进入到流水线的所有指令，都顺利离开流水线，包括分支指令；
• 此时，还处在流水线中的所有指令，都是处于错误的路径上，可以将所有的指令都抹掉；
• 将architectural RAT复制到speculative RAT, 完成恢复动作；
• 从正确的地址开始取指令；

如果在等待分支指令之前的D-cache缺失的指令时，会因为等待时间过长而出现miss-prediction panalty过大的情况；

这种方式称之为recovery at retire, 需要等待预测失败的分支指令retire的时候，才可以进行处理器的状态恢复；

也可以不再retire阶段再恢复，比如在execution阶段进行恢复，可以使用checkpoint的方式，此处不描述；

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