什么是延迟分支？

当分支由流水线简单处理时，在每个执行的分支之后，至少有一个周期未被利用。这是由于流水线的类似装配线的惰性。分支之后的指令槽称为分支延迟槽。

延迟槽也可能出现在加载指令之后；这些被定义为加载延迟槽。在传统执行期间，分支延迟槽会被浪费。但是，当使用延迟分支时，这些槽至少可以部分使用。

延迟分支原理



titi+1ti+2ti+3ti+4
Bb
FDEWB
Aadd

FDEWB
Csub


FD





BTAF

在图中，它可以将我们程序段中最初位于分支之前的 add 指令转移到分支延迟槽中。使用延迟分支，处理器首先执行 add 指令，但分支只会稍后生效。因此，在此示例中，延迟分支保持初始执行顺序 -

add r1, r2, r3;
b anywhere;
anywhere: sub

它定义了一个无条件分支。条件分支在简单的流水线执行期间会导致相同或更高的延迟。这是因为需要额外检查特定条件的操作。

因此，未执行分支的延迟槽中的指令将始终被执行。分支到目标指令 (sub) 的执行延迟了一个流水线周期。此周期用于执行延迟槽中的指令 (add)。因此，延迟分支导致以下执行顺序 -

a, add
b, b
c, sub

延迟分支最早在 1952 年的 MANIAC I 中引入，后来在微程序设计中得到了广泛使用（Patterson 和 Sequin，1981）。在 20 世纪 80 年代初，这种方案在 RISC-I 中“重新发明”（Patterson 和 Sequin 1981），并随后用于当时出现的几种 RISC 架构，例如 MIPS（1982p）、RISC-II（1983）、MIPS-R-line（从 1987 年开始）和 AMD 29000（1987）。

延迟分支的缺点

延迟分支有各种缺点，如下所示 -

  • 延迟分支需要重新定义体系结构。

  • 由于需要插入 NOP，延迟分支会导致代码略微膨胀。例如，它必须插入 100∗fb∗(1−ff)=100∗ 0.2∗(1−0.6)=8 个 NOP 到每 100 条指令中，因此代码长度将比没有延迟分支的情况长 8%。

  • 中断处理变得更加困难。这是因为由延迟槽中的指令引起的中断请求必须与来自“正常”指令的中断请求以不同的方式处理。当延迟槽指令引发中断时，前面的指令（即条件分支）已经获取但尚未处理。这种情况与传统指令处理中发生的情况截然不同，在传统指令处理中，导致中断的指令之前的所有指令都已完成。

  • 需要额外的硬件来实现延迟分支。

更新于：2021 年 7 月 23 日

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