基于全局分支历史的ghare分支预测器

主要构成

分支目标缓冲器BTB
分支历史寄存器BHR
方式历史寄存器PHT
对于某个条件分支指令而言，其全局历史是相对恒定的，让PHT同时保存全局历史的所有组合过于浪费，因此将指令地址的中部与全局历史记录进行异或运算，而当指令地址的中部相同时，指令地址下部对应的指令共用几个PHT项，这样兼顾了长全局历史表与PHT大小，改良了传统分支历史分支预测方法中PHT利用效率太差的问题。上图中12bit的全局历史记录与6bit的指令地址下部作为PHT的索引使用。这种方法虽然使用了全局历史记录，但由于多个条件分支指令共享了一个PHT，因此该方法被称作“Gshare方法”。

BTB:

分支目标缓冲器（Branch Target Buffer，BTB）是一个用于存储分支指令地址和目标地址的高速缓存，其常见于超标量处理器中，主要用于提高分支预测器的性能，因为它可以在分支指令的地址与BTB中存储的地址匹配时，直接从BTB中获取目标地址，从而避免了访问内存的开销

BHR:

每一位存储历史分支跳转指令的跳转方向，用于与PC部分位结合，作为地址索引PHT.

PHT：

储存2的十次方个2-bit饱和计数器。
饱和计数器（saturating counter）或者称双模态预测器（bimodal predictor）是一种有4个状态的状态机：

强不选择（Strongly not taken）
弱不选择（Weakly not taken）
弱选择（Weakly taken）
强选择（Strongly taken）

当一个分支命令被求值，对应的状态机被修改。分支不采纳，则向“强不选择”方向降低状态值；如果分支被采纳，则向“强选择”方向提高状态值。这种方法的优点是，该条件分支指令必须连续选择某条分支两次，才能从强状态翻转，从而改变了预测的分支。

GShare分支预测器的实现思路

根据上述的GShare分支预测原理，我们可以大致将GShare分支预测器分为两个部分，一个模块用于预测分支跳转的方向，另一个模块则用于预测分支跳转的目标地址。若要在蜂鸟E203内核中完整地插入这一分支预测器，需要修改e203_ifu_ifetch模块与e203_ifu_litebpu模块。

上图为gshare结构框图

最终实现效果

如图，我们在预测器中添加了两个计数寄存器，分别用于记录条件分支指令个数branch_num和预测失败次数prmiss_num。
上图为运行coremark测试程序的波形图，最后预测成功率超过百分之九十。而初始版本的E203处理器预测成功率仅46%。
可见采用基于全局分支历史的ghare分支预测器对分支预测成功率有极大的提升。