xs-gem5 间接分支目标预测架构 (BTB-ITTAGE)

当前 xs-gem5 的 Kunminghu v3 默认前端（DecoupledBPUWithBTB）预测普通间接控制流的目标

BTB 给出控制流候选和基础目标
BTB-ITTAGE 用路径历史选择/覆盖普通间接分支目标
RAS 覆盖 return

这里的“普通”指 isIndirect && !isReturn，涵盖间接 call 和非 return 的间接 jump；return 的目标由 RAS 处理，不是 ITTAGE 的职责

默认配置

configs/example/kmhv3.py 在 bp_type == DecoupledBPUWithBTB 时启用 mbtb、ittage、ras 等组件，并将 cpu.branchPred.ittage.resolvedUpdate = True, 并会使用 BTBITTAGE

BTBITTAGE 的默认参数定义在 src/cpu/pred/BranchPredictor.py：

项目	默认值	含义
表数	5	5 个 tagged 表
表项数	`[256, 256, 512, 512, 512]`	每张表直接索引的容量
tag	每表 9 bit	与完整 `entry.pc` 二次核对共同防 alias
历史长度	`[4, 8, 13, 16, 32]`	从短到长的路径相关性
索引块大小	32 B	index/tag 以 stream 的 32B 对齐块地址为 PC 成分
延迟	2	从 `stagePreds[2]` 起写入候选目标
每次分配	1 表项	一次失误至多分配一个更长历史表项

顶层 predictWidth 是 64B，而 ITTAGE 的索引块是 32B；它使用预测 stream 的 startPC（经 >> 5）索引，而不是每一条间接分支的 PC
entry 同时保存完整的 pc，查找时要求 tag 和 pc 都一致

预测 Path

FullBTBPrediction::getEntryTarget() 是最终目标选择的唯一汇合点：

直接分支使用 BTBEntry::target
普通间接分支先取 BTBEntry::target 作为基础目标；如果 indirectTargets 中存在同一 branch PC 的条目，则使用 ITTAGE 给出的目标覆盖它
return 无条件使用 returnTarget，即 RAS 结果；ITTAGE 从不查询、更新或统计 return。

因此，BTB target 既是 ITTAGE miss 的功能性回退，也是 ITTAGE 的 alternate/base 候选

createFetchTargetEntry() 会把已选择的最终 target 写进 predBranchInfo.target，随后前端据 finalPred.getTarget() 推进下一个 s0PC

顶层还记录 S3 归因：

当预测的 taken entry 是普通间接分支且 ittage->tageHit() 为真时，finalPred.s3Source 标为 ITTAGE
return 标为 RAS

BTB-ITTAGE lookup

BTBITTAGE::putPCHistory() 对当前 stream 仅为每张表读取一个 (index, tag, entry)：

1
2
3

index = ((startPC >> log2(32)) XOR folded_path_history) XOR ASID hash
tag   = (startPC >> log2(32)) XOR folded_path_history
        XOR (alternate_folded_history << 1) 注入 ASID hash 后截断

随后 lookupHelper() 遍历当前 stage 的 BTB entry，仅接受 valid && isIndirect && !isReturn 的 entry，并从最长表向最短表找两个命中：

命中条件：表项 valid、预测 tag 相等，且表项保存的完整 pc == btb_entry.pc
第一个命中是 main provider，第二个是 alternate provider；两者都没有时使用 BTB 基础 target
main provider 的 2-bit counter 不为 0 时，使用 main 的 target:
- counter >= 2 才会把该目标写入 indirectTargets
- counter == 1 的 main 命中会提供目标但不产生覆盖条目，最终仍落回 BTB target
main counter == 0 时，若存在 alternate 则由 alternate 决定；否则使用基础 BTB target。(这一类选择记为 useAlt，其中也包括“不命中而用 BTB”)

当前实现将每表存储抽象为单个 TageEntry（不是 BTBTAGE 的多 way 结构）：{valid, tag, target, 2-bit counter, useful, pc}。
虽然 ITTAGE 根据“最长优先”寻找多个命中，但每张表对一个 stream 只有一次读取，所以同一 stream 中不同间接 PC 会竞争同一索引位置；完整 PC 比较防止错误命中，但不能避免容量/冲突导致的 miss

BTB-ITTAGE Path History Register (PHR)

ITTAGE 使用 PHR，不用 GHR

每个硬件线程维护三组、每表一份的 PathFoldedHist：index folded history、tag folded history 与 alternate-tag folded history
PHR 只在预测到 taken 控制流时更新
顶层 getPHistUpdate() 取最终 selected entry 的 (pc, target)
pHistShiftIn() 将 pathHash(pc, target)（branch PC 的 9 bit 与 target 的 15 bit 组合）混入 970-bit PHR
ITTAGE 同时用更新前的 PHR 调 PathFoldedHist::update()，确保下一次查表使用与顶层投机 PHR 一致的折叠值

每个 FTQ FetchTarget 保存预测时的 PHR 与各组件的 prediction meta；
ITTAGE meta 中还保存三组 folded history 和按 branch PC 保存的 provider/alternate 信息

squash recovery

控制流 squash 时：

顶层恢复 FTQ entry 保存的 PHR
BTBITTAGE::recoverPHist() 从该 entry 的 meta 恢复 folded history
用真实的 (squash PC, redirect target) 重新注入正确的 taken path
顶层也将相同真实路径写回 PHR

这避免错误间接 target 污染后续 ITTAGE 的 index/tag 路径上下文

训练 Path

默认 v3 的 ITTAGE 是 resolve-time training

fetch.cc 将 IEW 送来的 resolved CFI 聚合到 resolve queue；
DecoupledBPUWithBTB::resolveUpdate() 对 resolvedUpdate 组件调用 doResolveUpdate()，其默认实现就是 update()。
(配置中 ITTAGE 的 resolvedUpdate=True，所以它不会在随后 commit 的 updatePredictorComponents() 再训练一次)

BTBITTAGE::update() 的训练集合为当前 FTQ stream 中的普通间接 branch；
在 resolved-update 模式下还要求 entry 已被 markCFIResolved() 标记

对每个 entry：

从 FTQ 保存的 meta 取 prediction 时的 main/alternate provider 和折叠历史，真实 target 为 stream.exeBranchInfo.target
若 main 命中，以“main target 是否等于真实 target”更新 2-bit counter；
- counter 降到 0 时用真实 target 覆盖该表项 target
- main 与 alternate 的 taken 判断不同时，main entry 的 useful 设为 main target 是否正确
若此次是该 branch 的 control squash，且不是“选择 alternate 但 main 恰好正确”，则尝试在 main provider 之后的更长历史表分配
- 只选 useful == 0 的候选槽
- LFSR 随机选择后最多分配一个，初值为 {target=真实 target, counter=2, useful=false, pc=branch PC}
若可分配槽长期耗尽，usefulResetCnt 累积到 256 后清零所有表项的 useful 位

xs-gem5: BTB-ITTAGE