Die Leistungsfähigkeit eines Prozessors wird von vielen Faktoren beeinflusst. Eine entscheidende Rolle spielt dabei die Branch Prediction. Diese Technik wird von modernen CPUs genutzt, um die Ausführung von Programmcode zu beschleunigen, indem sie voraussagt, welchen Weg ein Programmzweig nehmen wird.
Was ist Branch Prediction?
Programmcode besteht aus einer Reihe von Anweisungen, die in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden. Manchmal gibt es jedoch Verzweigungen, bei denen die Ausführung abhängig von bestimmten Bedingungen unterschiedliche Pfade nehmen kann. Ein Beispiel für eine Verzweigung ist eine bedingte Anweisung wie „if-else“, bei der abhängig von der Erfüllung einer Bedingung entweder der Code im „if“-Zweig oder der Code im „else“-Zweig ausgeführt wird. Die Branch Prediction versucht nun, im Voraus zu erraten, welcher Zweig genommen wird, bevor dies tatsächlich feststeht.
if(foo > 42) {
// Execute if block
foo = 0;
}
else {
// Execute else block
foo = 1;
}Warum ist Branch Prediction wichtig?
Die Ausführung von Programmen erfordert Zeit und Ressourcen, und Verzweigungen können zu Verzögerungen führen. Wenn der Prozessor auf die Auflösung einer Verzweigung warten muss, kann dies zu sogenannten Pipeline-Stalls führen, bei denen der Prozessor nicht effizient genutzt. Damit die Pipeline immer maximal ausgelastet ist und somit am effizientesten arbeitet, sind Stalls dringlichst zu vermeiden. An dieser Stelle versucht Branch Prediction, die Stalls zu minimieren, indem versucht wird vorherzusagen, welcher Pfad genommen wird und entsprechend frühzeitig die Pipeline mit dem nächsten Befehl aufgefüllt wird. Ohne Branch Prediction würde in dem Beispiel die Pipeline bis zu der if Abfrage nicht mit neuen Instruktionen aufgefüllt, da der Wert von foo nicht klar ist. Je nach länge der Pipeline würden diese Taktzyklen dann ungenutzt bleiben.
Wie funktioniert Branch Prediction?
Moderne CPUs setzen verschiedene Techniken ein, um Branch Prediction durchzuführen. Eine gängige dynamische Methode besteht darin, sogenannte Branch History Tables (BHT) oder Branch Target Buffers (BTB) zu verwenden. Diese speziellen Hardwarestrukturen speichern Informationen über vorherige Verzweigungen und deren Ausführungspfade. Anhand dieser Informationen wird eine Vorhersage für zukünftige Verzweigungen getroffen. Der „Two-bit-Counter“ oder der „Gshare-Algorithmus“ analysieren die Vergangenheit der Verzweigungen und passen ihre Vorhersagen entsprechend an. Der Prozessor nutzt dann diese Vorhersagen, um den nächsten Befehl vorzubereiten und die Pipeline effizient zu befüllen.
Vor- und Nachteile der Branch Prediction
Die Branch Prediction ist eine äußerst effektive Technik, um die CPU-Leistung zu steigern. Sie hilft dabei, Pipeline-Stalls zu reduzieren und die Anzahl der Taktzyklen, die für die Auflösung von Verzweigungen benötigt werden, zu minimieren. Stimmt die Vorhersage allerdings nicht, kann dies zu einer „Branch Misprediction“ führen, bei der die Pipeline zurückgesetzt werden muss. Dies kann insbesondere bei komplexen Verzweigungsstrukturen oder wenn sich das Verhalten des Programms während der Laufzeit ändert passieren. Durch Predication kann der CPU geholfen werden die Branch Prediction effektiver zu nutzen.