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# System prepended metadata

title: Branch Hazards

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# Branch Hazards
Branch Hazards指的是當處理器在執行Branch指令時，Pipeline中已經存在其他指令。這可能導致以下問題：

Pipeline Stalls：當Branch指令處理到達執行階段時，可能還有其他指令在先前的階段等待執行。這樣的情況下，處理器需要停止Pipeline，等待Branch指令的結果，直到確定Branch是採取還是不採取。這將導致Pipeline Stalls，使得處理器效能下降。

Instruction Flushing（指令清除）：如果在Branch指令執行之前，已經有一些指令進入Pipeline並且這些指令的執行與Branch結果相關，那麼這些指令可能需要被清除（或稱為flush），以確保程序的正確執行。這樣的情況下，之前在Pipeline中的指令將被視為無效，並且需要重新加載新的指令。

## Handling Branch Hazard
處理Branch Hazard在處理器Pipeline中至關重要，以維持性能和正確性。以下是處理Branch Hazard的幾種技術：

* 預測Branch總是未被採取：
    * 這種策略假設Branch默認情況下不會被採取，除非證明相反。這可以將Branch對Pipeline的影響最小化。但如果預測錯誤，則需要額外的硬體來清除管線中的不正確指令。
* 減少採取Branch的延遲：
    * 將Branch執行提前到Pipeline中的早期階段，最好是指令解碼（ID）階段。
    * 在ID階段計算Branch地址並檢查Branch相等性（使用XOR）。
    * 如果Branch被採取，只需清除一條指令，從而最小化Pipeline Stalls。使用控制信號來清除Pipeline中的指令，將其轉換為空操作（NOP）。
* 動態Branch預測：
    * 使用複雜的算法和預測機制來動態預測Branch結果。這可以顯著降低Branch Hazard對Pipeline性能的影響。
* 編譯器重新調度：
    * 優化指令的順序，以最小化Branch的影響。延遲Branch或重新排列代碼，以減少Branch Hazard帶來的 Stalls。

## Pipeline with Flushing
在處理器Pipeline中，Pipeline清除（Flushing）是一種常見的技術，用於處理分支風險和其他不正確預測的情況。當分支指令執行時，如果判斷出分支的結果與先前的預測不符，就需要清除（或稱為flush）部分Pipeline中的指令，以確保程序的正確執行。

Pipeline清除通常涉及以下步驟：

* 檢測分支結果：當分支指令執行到達決策階段時，處理器會檢查分支的結果（即是否被採取）。如果分支的結果不同於先前預測的結果，則需要進行Pipeline清除。
 
* 清除指令：將分支指令之後的Pipeline中的指令清除（flush）。這意味著將這些指令視為無效，並將Pipeline狀態返回到正確的狀態，以便重新開始執行正確的指令序列。
 
* 重新加載指令：一旦Pipeline被清除，正確的指令序列需要重新加載到Pipeline中。這包括從指令存儲器中讀取正確的指令並將其送入Pipeline的第一個階段。

Pipeline清除可以通過硬體或軟體機制來實現。硬體機制通常包括將Pipeline中的指令標記為無效，並將Pipeline狀態返回到正確的狀態。軟體機制通常涉及在處理器控制單元中實現特殊的Pipeline清除邏輯，以檢測和處理分支風險。

儘管Pipeline清除可以解決分支風險和其他錯誤預測的問題，但它會引入額外的延遲和性能損失，因為必須重新啟動Pipeline並重新加載正確的指令序列。因此，在設計處理器時，需要平衡Pipeline清除的成本和效益，並通過結合其他技術（如分支預測）來最大程度地減少對性能的影響。

