【免费】分支预测器实验。。。。_C语言简单分支预测器资源-CSDN文库

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需积分: 0 147 浏览量 2022-04-03 12:26:35 上传评论收藏 27.5MB ZIP 举报

在计算机体系结构中，分支预测是现代处理器优化性能的关键技术之一。它旨在预测程序执行路径，以便处理器可以提前准备执行即将发生的指令，从而减少由于等待分支结果而导致的延迟。本实验将深入探讨分支预测器的工作原理及其在提高CPU效率方面的作用。我们需要了解分支指令。在编程中，分支指令允许程序根据条件跳转到不同的代码段执行，如if-else语句或循环。处理器通常需要等到当前指令执行完毕后才能确定是否进行分支，这可能导致流水线停顿，降低性能。分支预测器的目的是预测分支是否会成功（即是否会执行）以及目标地址。常见的预测策略包括： 1. 基于历史的预测：使用先前分支的结果来预测未来分支的行为。例如，最简单的双向预测器（Bimodal Predictor）假设分支要么总是成功，要么总是失败。 2. 二进制计数器预测器（Tournament Predictor）：使用多个预测器并选择最准确的一个。 3. 层次预测器（Bi-Directional Two-Level Predictor）：结合了简单预测器和复杂预测器的优点，为每个分支提供两个状态（成功和失败）的计数器，并在不同层次上存储这些信息。实验文件包括以下内容： - `run.bat`：启动实验的批处理文件，可能用于运行预测器模拟。 - `predictor.c`：C语言编写的分支预测器源代码，包含了预测算法的实现。 - `predictor.exe`：编译后的可执行文件，执行预测器的预测功能。 - `README.md`和`README.pdf`：实验指南，详细解释实验目的、步骤、预期结果和分析方法。 - `BP.xlsx`：可能包含预测器的统计数据或实验数据，如预测准确率、误预测率等。 - `traces`：这是一个目录，可能包含程序执行的分支踪迹文件，这些文件记录了程序执行时的分支信息，供预测器分析。通过实验，你可以学习如何实现一个基本的分支预测器，观察其预测效果，并理解不同预测策略的优缺点。你可以分析`BP.xlsx`中的数据，计算预测器的性能指标，比如准确性、平均预测时间、吞吐量等。同时，通过比较不同分支预测策略对`traces`中的分支行为的预测，可以深入理解分支预测在实际应用中的影响。这个实验提供了实践经验，帮助我们理解现代处理器如何通过分支预测技术提升性能，这对于理解和优化计算机系统性能至关重要。通过深入研究并实践这些知识，你将能够更好地应对复杂的硬件优化问题。

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traces

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LONG_MOBILE-1.bt9.trace.gz 1.37MB

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SHORT_MOBILE-1.bt9.trace.gz 1.4MB

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LONG_MOBILE-2.bt9.trace.gz 5.35MB

LONG_MOBILE-3.bt9.trace.gz 15.25MB

SHORT_MOBILE-2.bt9.trace.gz 3.44MB

SHORT_MOBILE-30.bt9.trace.gz 8.37MB

# 实验报告 <center>陈鸿凯 202002001002</center> ## 实验数据 ## 1 | trace | LONG-1 | LONG-2 | LONG-3 | LONG-4 | SHORT-1 | SHORT-2 | SHORT-3 | SHORT-4 | SHORT-24 | SHORT-25 | SHORT-27 | SHORT-28 | SHORT-30 | average | | --------------------------------------------- | --------------------------------------------- | ------- | ------- | ------- | ------- | ------- | -------- | ------- | -------- | -------- | -------- | -------- | -------- | ----------- | | TAKEN | 22.1126 | 51.5666 | 56.1836 | 2.3293 | 34.346 | 53.3328 | 12.8561 | 12.35 | 0.0009 | 0.0035 | 2.2689 | 1.8285 | 91.6225 | 26.21548462 | | NOT_TAKEN | 23.3825 | 36.1905 | 50.5379 | 11.5291 | 45.6506 | 95.0392 | 144.3065 | 33.2308 | 7.6923 | 28.5711 | 14.4918 | 14.5707 | 77.9273 | 44.85540769 | | 1bit fsm | 5.7364 | 2.751 | 12.1055 | 4.6183 | 3.456 | 43.1704 | 8.6456 | 6.029 | 0.0009 | 0.0035 | 4.5423 | 3.6571 | 16.6571 | 8.567161538 | | 2bit fsm | 2.9956 | 1.8347 | 9.5639 | 2.3103 | 2.7377 | 33.4623 | 4.6308 | 5.5712 | 0.0005 | 0.0018 | 2.287 | 1.8288 | 10.6065 | 5.987007692 | | 3bit fsm | 3.1476 | 1.7714 | 8.645 | 2.3103 | 2.8295 | 32.1898 | 4.5109 | 5.5039 | 0.0005 | 0.0018 | 2.287 | 1.8288 | 10.9199 | 5.842030769 | | 1bit fsm + 17bit global | 0.7118 | 2.143 | 9.4827 | 0.0086 | 3.3592 | 13.132 | 6.83 | 5.7608 | 0.0013 | 0.0038 | 1.0733 | 0.0169 | 9.3196 | 3.987923077 | | 2bit fsm + 17bit global | 0.5654 | 1.3844 | 7.7714 | 0.0049 | 2.9097 | 11.3885 | 3.7173 | 5.1688 | 0.0008 | 0.0021 | 0.625 | 0.0098 | 6.3666 | 3.070361538 | | 3bit fsm + 17bit global | 0.7129 | 1.3098 | 7.1236 | 0.005 | 3.1955 | 10.6267 | 3.6071 | 4.9068 | 0.0008 | 0.0021 | 0.625 | 0.0098 | 5.6986 | 2.909515385 | ### 结论1 > 1. fsm 优于静态（默认TAKEN&NOT_TAKEN） > > 2. 使用全局历史信息优于不适用全局历史信息 > > 3. 2bit fsm 和 3bit fsm 优于 1bit fsm > > 4. 2bit fsm 和 3bit fsm 差距不大，2bit fsm 所用空间更小 ## 2 | trace | LONG-1 | LONG-2 | LONG-3 | LONG-4 | SHORT-1 | SHORT-2 | SHORT-3 | SHORT-4 | SHORT-24 | SHORT-25 | SHORT-27 | SHORT-28 | SHORT-30 | average | | --------------------------------------------- | --------------------------------------------- | ------- | ------- | ------- | ------- | ------- | -------- | ------- | -------- | -------- | -------- | -------- | -------- | ----------- | | 2bit fsm + 17bit global | 0.5654 | 1.3844 | 7.7714 | 0.0049 | 2.9097 | 11.3885 | 3.7173 | 5.1688 | 0.0008 | 0.0021 | 0.625 | 0.0098 | 6.3666 | 3.070361538 | | 2bit fsm + 30bit global | 0.1398 | 1.2367 | 7.4378 | 0.0054 | 2.1092 | 5.0625 | 3.1777 | 4.0446 | 0.0011 | 0.0023 | 0.2627 | 0.0114 | 3.0848 | 2.044307692 | ### 结论2 >30bit 全局历史信息在特定情况下优于 17bit 全局历史信息，但所用内存将急剧增大 ## 3 | trace | LONG-1 | LONG-2 | LONG-3 | LONG-4 | SHORT-1 | SHORT-2 | SHORT-3 | SHORT-4 | SHORT-24 | SHORT-25 | SHORT-27 | SHORT-28 | SHORT-30 | average | | --------------------------------------------- | --------------------------------------------- | ------- | ------- | ------- | ------- | ------- | -------- | ------- | -------- | -------- | -------- | -------- | -------- | ----------- | | 2bit fsm | 2.9956 | 1.8347 | 9.5639 | 2.3103 | 2.7377 | 33.4623 | 4.6308 | 5.5712 | 0.0005 | 0.0018 | 2.287 | 1.8288 | 10.6065 | 5.987007692 | | 2bit fsm + 3bit local | 2.492 | 1.6446 | 8.1803 | 4.6119 | 1.3579 | 32.2575 | 4.4379 | 5.6087 | 0.0006 | 0.0018 | 1.8885 | 1.8297 | 9.0792 | 5.645430769 | | 2bit fsm + 17bit global | 0.5654 | 1.3844 | 7.7714 | 0.0049 | 2.9097 | 11.3885 | 3.7173 | 5.1688 | 0.0008 | 0.0021 | 0.625 | 0.0098 | 6.3666 | 3.070361538 | | 2bit fsm + 3bit local + 17bit global | 0.4088 | 1.2317 | 8.4514 | 0.0073 | 1.8418 | 11.4317 | 3.7906 | 5.0203 | 0.0019 | 0.003 | 0.6295 | 0.0173 | 2.5584 | 2.722592308 | | 3bit fsm + 3bit local + 17bit global | 0.3998 | 1.1704 | 7.6918 | 0.0073 | 1.7973 | 10.0933 | 3.6793 | 4.6032 | 0.0019 | 0.003 | 0.6295 | 0.0173 | 2.4663 | 2.504646154 | | 3bit fsm + 3bit local + 17bit global + hash | 0.387 | 1.1729 | 7.3673 | 0.0057 | 1.7277 | 9.6496 | 3.2273 | 4.9918 | 0.0007 | 0.002 | 0.2174 | 0.011 | 2.5704 | 2.410061538 | ### 结论3 >单独使用局部历史信息效果不明显，但结合全局历史信息同时使用效果比较好，最终通过实验并综合考虑准确率以及使用的内存，决定使用3bit fsm + 3bit local + 17bit global + hash的方案 ### 实验结果 | trace | LONG-1 | LONG-2 | LONG-3 | LONG-4 | SHORT-1 | SHORT-2 | SHORT-3 | SHORT-4 | SHORT-24 | SHORT-25 | SHORT-27 | SHORT-28 | SHORT-30 | average | | ------------------------------------------- | ------- | ------- | ------- | ------ | ------- | ------- | ------- | ------- | -------- | -------- | -------- | -------- | -------- | ----------- | | 2bit fsm + 17bit global | 0.5654 | 1.3844 | 7.7714 | 0.0049 | 2.9097 | 11.3885 | 3.7173 | 5.1688 | 0.0008 | 0.0021 | 0.625 | 0.0098 | 6.3666 | 3.070361538 | | 3bit fsm + 3bit local + 17bit global + hash | 0.387 | 1.1729 | 7.3673 | 0.0057 | 1.7277 | 9.6496 | 3.2273 | 4.9918 | 0.0007 | 0.002 | 0.2174 | 0.011 | 2.5704 | 2.410061538 | | 每项优化 | -0.1784 | -0.2115 | -0.4041 | 0.0008 | -1.182 | -1.7389 | -0.49 | -0.177 | -0.0001 | -1E-04 | -0.4076 | 0.0012 | -3.7962 | -0.6603 | ## 代码 ```C++ /////////////////////////////////////////////////////////////////////// //// Copyright 2020 by ChongKai. // /////////////////////////////////////////////////////////////////////// #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include "common.h" // 饱和计数器：加1 static inline UINT32 SatIncrement(UINT32 x, UINT32 max) { if (x < max) return x + 1; return x; } // 饱和计数器：减1 static inline UINT32 SatDecrement(UINT32 x) { if (x > 0) return x - 1; return x; } // Gshare分支预测器的状态信息 // 模式历史表 UINT32* pht; // 模式历史表 UINT32 numPhtEntries; // PHT中的项数 #define PHT_CTR_BIT 3 // PHT所占的位数 #define PHT_CTR_MAX ((1<<PHT_CTR_BIT) - 1) // PHT中的最大值 #define PHT_CTR_INIT (PHT_CTR_MAX / 2) // PHT中的初始值 // 局部历史表 UINT32* lht; // 局部历史表 UINT32 numLht