香山分支预测单元结构介绍

BPU 是如何整合内部子预测器的？

我们已经知道香山 BPU 采用的是多预测器，多流水线方案。其中为了适配多流水线，BPU 采用了三通道结果输出接口。但是又是如何适配多预测器的呢？这就要求我们进一步深入 BPU，探究其内部结构。

上图为香山文档中的 BPU 架构图，目前我们只需要关心这样一个信息，内部的所有子预测器都被包在了一个叫做 Composer 的结构中。BPU只需要和 Composer 交互。

Composer 是什么？我们不妨先看一下香山代码中对于他们的定义。

可以发现，Composer 以及五个子预测器有一个共同的特点，他们全部继承于 BasePredictor 基类。并且接口已经在 BasePredictor 类中定义好。换句话说就是，Composer和五个子预测器都拥有相同的接口！BPU 顶层可以直接把 Composer 也当做一个子预测器，而无需关心内部是怎么连接子预测器的。

子预测器接口

接下来我们会查看子预测器接口是怎样的。该接口将涉及到 Composer 与 BPU 顶层的交互，还会涉及到各子预测器与 Composer 的交互。

我们先以 Composer 为例，说明子预测器接口的结构

如上图所示，Composer 的三通道预测结果被直接输出至 BPU 外部，并且还有一组三通道预测结果从BPU内部连接至 Composer ，但由于预测结果是由 Composer 产生，因此 BPU 会将一个空的预测结果传递给 Composer ，这样做的意义是，使子预测器形成了一个“加工”的作用，子预测器会将输入的预测结果进行加工，然后再输出加工过后的预测结果。

接下来，BPU 顶层会为流水线提供预测所需要的信息。首先是 PC 和分支历史记录（包括全局历史和全局折叠历史），接下来 BPU 会和 Composer 之间连接一些流水线控制信号，最后 BPU 将外部输入的重定向请求接口和更新接口直接连接至 Composer。

最终可以简单给出子预测器接口的定义（详细定义请前往接口文档进行查看）：

• in
  • (s1, s2, s3) 预测信息输入
  • s0_pc 需要预测的PC
  • ghist 全局分支历史
  • folded_hist 全局折叠历史
• out (s1, s2, s3) 预测信息输出
• 流水线控制信号
  • s0_fire, s1_fire, s2_fire, s3_fire 相应流水级是否工作
  • s2_redirect, s3_redirect 后续流水级发现预测错误时重定向信号
  • s1_ready, s2_ready, s3_ready 子预测器相应流水级是否就绪
• update 更新请求
• redirect 重定向请求

子预测器之间的连接

我们已经清楚各个子预测器之间的接口与Composer 的接口是相同的，并且我们也已经知道了 Composer是如何连向顶层 BPU 的，本小节将会说明子预测器是如何在 Composer 内部进行连接的。

上图便是子预测器在 Composer 中连接的结构图。可以看出，三通道预测结果送入Composer后，首先经过 uFTB 的“加工”后输出，再依次由 TAGE-SC、FTB、ITTAGE、RAS进行“加工”，最终连接到 Composer 的预测结果输出，并由Composer 再直接连往 BPU 外部。

而对于其他信号，因为Composer和各子预测器的接口相同，都被Composer直接连接到了每个预测器的相应接口，而没有做非常多额外处理。

预测结果接口连接

对于子预测器来说，他们的预测结果的连接方式是，预测结果输出是下一个预测器的输入。但需要注意的是，这种连接是组合电路的连接，而没有时序的影响。

如上图所示，以 s1 通道为例，从输入到最后一个预测器输出，中间全都是组合电路在做修改，不受时序影响。寄存器只在 s1, s2 和 s3 通道之间存在。

因此增加子预测器的数量，并不会导致预测所需的周期数量增多，仅仅会导致每个周期预测所需要的时延增大。