Address Prediction and Recovery Mechanisms
Authors:   , Morancho Llena Enric 
Published: July 2023

Uno de los mayores retos que debe ser afrontado por los diseñadores de micro-procesadores es el de mitigar la gran latencia de las instrucciones de carga de datos en registros. Esta tesis analiza una de las posibles alternativas para atacar dicho problema: predicción de direcciones y ejecución especulativa.<br/><br/>Varios autores han comprobado que las direcciones efectivas calculadas por las instrucciones de carga son bastante predecibles. En primer lugar, hemos analizado a qué es debida dicha predictabilidad. Este estudio intenta establecer las estructuras típicas presentes en lenguajes de alto nivel que, al ser compiladas, generas instruciones de carga predecibles. También se analizan los predictores convencionales con el objetivo de determinar qué predictores son más adecuados para las típicas aplicaciones.<br/><br/>El estudio continúa con la propuesta de nuevos predictores de direcciones que utilizan sus recursos de almacenamiento de forma más eficiente que los previos predictores. Los predictores alamacenan información respecto al comportamiento de las instrucciones de carga; sin embargo, los requisitos de las instrucciones predecibles son diferentes de los de las instrucciones no predecibles. Consecuentemente, se propone una organización de las tablas de predicción que considere la existencia de ambos tipos de instruciones. También se muestra que existe un cierto grado de redundnacia en las tablas de predicción de los predictores. Este estudio propoen organizar las tablas de predicción de forma que se reduzca dicha redundancia. Todas estas propuestas permiten reducir los requisitos de los predictores referentes a espacio de alamacenamiento, sin causar menoscabo en el rendimiento de los predictores.<br/><br/>Posteriormente, se evalúa el impacto de la predicción de direcciones en el rendimiento de los processadores. Las evaluaciones asumen que las predicciones se utilizan para iniciar de forma especulativa accessos a memoria y para ejecutar de forma especulativa sus instrucciones dependientes. En caso de una predicción correcta, todo el trabajo realizado de forma especulativa puede considerarse como correcto; en caso de error de predicción, el tranajo realizado especulativamente debe ser descartado. El estudio se centra en diversos aspectos como la interacción entre predicción de direcciones y predicción de saltos, la implementación de mecanismods de verification, los mecanismos re recuperación en casos de errores de predicción y la influencia de varios parámetreos del procesador (el tamaño de la ventana de emisión de instrucciones, la latencia de la memora cache, y la anchura de emisión de instrucciones) en le impacto de la predicción de direcciones en el rendimiento de los procesadores.<br/><br/>Finalmente, se han evaluado mechanismos de recuperación para el caso de errores de predicción de latencia. La predicción de latencia es una técnica de ejecución especulativa utilizada por los planificadores de alguncos procesadores superescalares para tratar las instrucciones de latencia variable (por ejemplo, las instrucciones de carga). Nuestras evaluaciones se centran en un mecanismo convencional de recuperación para errores de predicción de latencia y en una nueva propuesta. También se evalúan los mecanismos propuestos en el ámbito de predicción de direcciones. Se concluye con que éstos mecanismos representan una alternativa rentable a los mecanismos de recuperación convencionales utilizados para tratar los errores de predicción de direcciones.

Mitigating the effect of the large latency of load instructions is one of challenges of micro-processor designers. This thesis analyses one of the alternatives for tackling this problem: address prediction and speculative execution.<br/>Several authors have noticed that the effective addresses computed by the load instructions are quite predictable. First of all, we study why this predictability appears; our study tries to detect the high-level language structures that are compiled into predictable load instructions. We also analyse the conventional address predictors in order to determine which address predictors are most appropriate for the typical applications.<br/>Our study continues by proposing address predictors that use their storage structures more efficiently. Address predictors track history information of the load instructions; however, the requirements of the predictable instructions are different from the requirements of the unpredictable instructions. We then propose an organization of the prediction tables considering the existence of both kinds of instructions. We also show that there is a certain degree of redundancy in the prediction tables of the address predictors. We propose organizing the prediction tables in order to reduce this redundancy. These proposals allow us to reduce the area cost of the address predictors without impacting their performance.<br/>After that, we evaluate the impact of address prediction on processor performance. Our evaluations assume that address prediction is used to start speculatively some memory accesses and to execute speculatively their dependent instructions. On a correct prediction, all the speculative work is considered as correct; on a misprediction, the speculative work must be discarded. Our study is focused on several aspects such as the interaction of address prediction and branch prediction, the implementation of verification mechanisms, the recovery mechanism on address mispredictions, and the influence of several processor parameters (the issue-queue size, the cache latency and the issue width) on the performance impact of address prediction. <br/>Finally, we evaluate several recovery mechanisms for latency mispredictions. Latency prediction is a speculative technique used by the schedulers of some superscalar processors to deal with variable-latency instructions (for instance, load instructions). Our evaluations are focused on a conventional recovery mechanism for latency mispredictions and a new proposal. We also evaluate the proposed recovery mechanism in the scope of address prediction; we conclude that it represents a cost-effective alternative to the conventional recovery mechanisms used for address mispredictions.