Mecanisme avansate în procesoare

Predicția Salturilor

Predicţia salturilor este o cerinţă importantă în sistemele de calcul ce utilizează intens

tehnica pipe-line. Prin predicţia salturilor se optimizează utilizarea structurii pipe-line

evitându-se reiniţializarea acesteia dacă intrucţiunile corespunzătoare saltului în program au

fost încărcate în mod eronat.

În situaţia unei instrucţiuni de salt condiţionat instrucţiunea ţintă nu poate fi încarcată

în pipe-line decât după ce s-a calculat adresa de salt şi nu s-a evaluat condiţia de salt. Pentru

salturile necondiţionate trebuie calculată numai adresa de salt.

Până când aceste informaţii sunt disponibile structura pipe-line aşteaptă sau încarcă o

instrucţiune tintă posibilă; în momentul când informaţiile sunt disponibile se poate decide o

reiniţializare a structurii (în situaţia în care în pipe-line s-au încărcat instrucţiuni ţintă în mod

eronat). În ambele situaţii apare o degradare a performanţei structurii pipe-line. Utilizarea

predicţiei salturilor conduce la o atenuare a acestei degradări de performanţă datorită faptului

că în majoritatea cazurilor instrucţiunile ţintă sunt încărcate corect.

Instrucţiunile de salt se impart în două categorii:

- salturi statice ( care se regăsesc în codul binar şi sînt cunoscute înainte de execuţia programului)

- salturi dinamice ( care apar în urma execuţiei şi nu sînt cunoscute înainte de execuţie)

Predicţia salturilor dinamice este mai dificilă decît predicţia salturilor statice.

Ideea de bază a predicţiei salturilor este memorarea istoriei fiecărui salt (dacă s-a

efectuat sau nu s-a efectuat) şi luarea deciziei (salt efectuat / salt ne-efectuat) pe baza acestei

istorii. Se definesc anumite tipare (patern) de diferite lungimi care indică în timp dacă saltul

s-a efectuat sau nu. Aceste tipare sunt dependente de tipul de program care se execută.

Există mai multe tipuri de programe (task-uri):

• T1 – procesarea bazelor de date

• T2 – programe de căutare, editare, compilare şi testare

• T3 – programe de rezervare hotelieră, tranzacţii bancare

• T4 – programe utilitare pentru manevrarea de date

În următorul tabel se prezintă un număr de instrucțiuni de salt pentru fiecare tip de task:

Predicţia salturilor utilizează un buffer de memorie ( BTB – Branch Target Buffer)

care conţine adresele instrucţiunilor ţintă pentru fiecare salt precum şi informaţia necesară

predicţiei. Bufferul BTB este adresat cu ajutorul adresei instrucţiunii de salt. Deoarece în mod

evident nu se poate utilize un BTB excesiv de mare se vor utilize tehnici de mapare a adresei

instrucţiunii de salt în spaţiul de adresabilitate al BTB ( tehnici similare mapării memoriei

cache). Dimensiunea bufferului BTB influenţează rata de predicţie (figura 1).

Figura 1. Variaţia ratei de predicţie funcţie de dimensiunea BTB

Dimensiunea mare a BTB poate fi în aparenţă un avantaj. Totuşi un BTB mare are

următoarele dezavantaje:

• se reduce din dimensiunea memoriei sistemului

• se stochează adrese effective ( nu adrese fizice) ceea însemnă că la comutarea task-urilor tot conţinutul BTB este inutil sau chiar contraproductiv