分支预测器推测性地执行什么样的指令？

Question

我正在阅读有关分支预测的内容，我想知道分支预测器是否会“推测性地”执行任何类型的指令。特别是，我想知道它是否会与硬件通信。

假设你有这样的东西：

while (true) {
   if (condition)
      SendPacketOverNetwork()
   DoSomethingElse()
}

（在汇编级别，if 之后的第一条指令引发中断，或与硬件通信）。如果分支预测器碰巧“猜错了”，在这种情况下会发生什么？如果这不能发生，为什么？分支预测器将执行什么样的指令？我是否误解了分支预测器的作用？

Answer 1

首先 - 分支预测器不执行任何操作，它只是告诉 CPU 下一条要获取和执行的指令是什么。然后 CPU 将获取下一组指令并将其插入到其管道中，并开始执行它们。

所有对外部世界产生任何影响的操作（即在核心之外可观察到），只有在相应的指令退出并提交后才会执行。在 CPU 在内核外部有一些专用缓冲以防止推测状态泄漏的情况下，可能存在一些小异常，但效果是一样的 - 即使操作是在内部执行的，直到这一点才能观察到它在哪里提交。存储到内存、端口、断点或任何其他可观察的操作都包括在内。

一旦分支预测错误，推测状态将被刷新，并且机器中的任何虚假结果，包括比错误预测分支更年轻的所有操作都将回滚（在通常通过排序缓冲区管理的无序 CPU 上）。确切的细节当然取决于实际的微架构。 由于提交是按顺序执行的（即使执行是无序的），它们充当一个收敛点 - 错误预测的分支的执行必须在管道中的那个点之前完成，因此先于任何年轻指令的退休和提交（它们通常被认为是该分支的“阴影”）。因此，任何外部可观察的操作都无法执行，除非它比错误预测的分支更早。

示例（在故障机器上，因为这是更有趣的情况）：

op1   |         exec          retire     
op2   |    exec                 retire    
branch|            exec           retire   
op3   |   exec                      retire 
op4   |          exec                 retire
store |                                 retire    dispatch
        ---------------------------> Time

如果分支在执行时发现其预测错误，则保证在其退休/提交之前或沿管道的任何后续操作（包括执行任何较年轻的存储）之前刷新下一条指令。在更简单的有序机器中，执行本身是有序的，因此分支将在任何较年轻的指令执行之前执行（并且分支解析将是已知的）。