控制冒险处理

什么是控制冒险？

控制冒险发生在分支指令（条件跳转 / 函数调用 / 返回）改变程序执行顺序时。

分支指令的目标地址和是否跳转通常在 EX 阶段或 MEM 阶段才确定，但流水线在 ID 阶段就已经取了后续指令。如果分支跳转了，已取的指令是错误的 → 需要冲刷（Flush）。

BEQ R1, R2, target   // 分支指令
ADD ...               // IF: 已取，但分支跳转 → 指令无效！
SUB ...               // IF: 已取，同样无效
target: OR ...

解决方法

1. 插入停顿（最简单）

• 等待分支结果确定后再取指
• 代价：1~2 个周期（取决于分支在哪个阶段确定）
• 效率低，但最安全

2. 预测分支不跳转（Predict Not Taken）

• 假设分支不跳转，继续顺序取指
• 预测正确 → 无代价
• 预测错误 → 冲刷已取指令，重新取
• 简单但准确率不高（循环通常跳转）

3. 预测分支跳转（Predict Taken）

• 假设分支跳转，直接取目标地址的指令
• 需要早期计算目标地址
• 适合循环（循环大多数时候跳转回循环头）

4. 动态分支预测（Dynamic Prediction）

用分支历史表（BHT）记录分支的历史行为：

• 1 位预测器：上次跳转 → 预测跳转
• 2 位预测器：需要连续两次预测错误才改变预测方向
  • 强跳转 / 弱跳转 / 弱不跳转 / 强不跳转
  • 准确率更高

5. 延迟分支（Delayed Branch）

• 将分支指令后面的延迟槽中的指令无论是否跳转都执行
• 编译器在延迟槽中填入有用的指令
• 延迟槽大小通常为 1 条指令

2 位饱和计数器：需连续两次错误才翻转预测。点击"实际跳转 / 不跳转"观察状态转移与当前预测方向。