Verzweigungsvorhersage.
Zweigvorhersage
Die Zweigvorhersage ist eine Technik, die in Computerprozessoren verwendet wird, um den Ablauf von Anweisungen zu verbessern. Sie funktioniert, indem auf Grundlage der wahrscheinlichen Ergebnisse von bedingten Verzweigungen im Code fundierte Vermutungen darüber angestellt werden, welche Anweisungen auszuführen sind. Durch die Reduzierung der Anzahl von Pipeline-Blockaden, die durch Zweiginstruktionen verursacht werden, trägt die Zweigvorhersage dazu bei, die Gesamtleistung und Effizienz des Prozessors zu steigern.
Wie die Zweigvorhersage funktioniert
Zweigvorhersagealgorithmen analysieren die Historie vorheriger Zweige, um das wahrscheinliche Ergebnis zukünftiger vorherzusagen. Es ist wichtig zu beachten, dass die Zweigvorhersage ein komplexer Mechanismus ist, der je nach spezifischer Computerarchitektur und Art der ausgeführten Zweiginstruktionen variiert. Der allgemeine Prozess kann jedoch wie folgt zusammengefasst werden:
Bedingte Verzweigungen: In Programmen treten bedingte Verzweigungen auf, wenn der Ausführungspfad von einer Bedingung abhängt, wie z. B. einer "if"-Anweisung oder einer Schleife. Es ist ein Scheideweg, an dem das Ergebnis in eine von zwei oder mehr Richtungen gehen kann.
Zweighistorientabelle: Um Vorhersagen zu treffen, halten Zweigvorhersagealgorithmen eine Datenstruktur namens Zweighistorientabelle vor. Diese Tabelle zeichnet Informationen über das frühere Verhalten von Verzweigungen auf.
Vorhersagen treffen: Beim Auftreten einer bedingten Zweiginstruktion konsultiert die Zweigvorhersageeinheit im Prozessor die Zweighistorientabelle, um festzustellen, ob es Aufzeichnungen über ähnliche Zweigmuster gibt. Basierend auf dem aufgezeichneten Verhalten wird vorhergesagt, ob der Zweig genommen wird oder nicht.
Spekulative Ausführung: Sobald eine Vorhersage getroffen wurde, beginnt der Prozessor mit der Ausführung der Anweisungen, die seiner Meinung nach als Nächstes benötigt werden. Dies wird als spekulative Ausführung bezeichnet. Der Prozessor geht davon aus, dass das vorhergesagte Ergebnis korrekt sein wird.
Fehlerkorrektur: Wenn die Vermutung richtig ist, spart der Prozessor Zeit, indem er nicht auf das Abrufen der richtigen Anweisung warten muss. Wenn die Vermutung jedoch falsch ist, muss der Prozessor die Ergebnisse der spekulativ ausgeführten Anweisungen verwerfen und die richtigen Anweisungen abrufen.
Durch die Optimierung der Ausführung bedingter Verzweigungen tragen Techniken der Zweigvorhersage dazu bei, die Auswirkungen von Fehlvorhersagen zu minimieren, Pipeline-Blockaden zu reduzieren und den Durchsatz der Anweisungen zu erhöhen.
Arten der Zweigvorhersage
In modernen Prozessoren werden verschiedene Arten von Zweigvorhersagealgorithmen eingesetzt, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Einige gängige Techniken sind:
Statische Zweigvorhersage: Diese einfache Form der Zweigvorhersage geht davon aus, dass sich die Richtung der Zweige während der Programmausführung nicht ändert. Sie basiert auf Heuristiken, wie der Vorhersage, dass rückwärts gerichtete Zweige genommen und vorwärts gerichtete nicht genommen werden.
Dynamische Zweigvorhersage: Dynamische Zweigvorhersagetechniken verwenden anspruchsvollere Algorithmen, die ihre Vorhersagen basierend auf dem Laufzeitverhalten der Zweige anpassen. Sie führen eine Historie der Zweigergebnisse und verwenden diese Informationen, um genaue Vorhersagen zu treffen. Ein häufig verwendeter dynamischer Zweigvorhersagealgorhithmus ist die zweistufige adaptive Zweigvorhersage.
Korrelation-Zweigvorhersage: Korrelation-Zweigvorhersagetechniken berücksichtigen die Beziehung zwischen mehreren Zweigen in einem Programm. Sie verwenden Muster vergangener Zweigergebnisse, um das Verhalten zukünftiger Zweige vorherzusagen.
Rücksprungadressstapel-Vorhersage: Die Rücksprungadressstapel-Vorhersage ist eine Art der Zweigvorhersage, die speziell für Funktionsrücksprung-Instruktionen entwickelt wurde. Sie sagt die Rücksprungadressen von Funktionsaufrufen voraus, um die Effizienz der Programmausführung zu verbessern.
Minderung von Sicherheitsrisiken
Obwohl die Zweigvorhersage selbst keine Sicherheitsbedrohung darstellt, wurde sie als Teil von spekulativen Ausführungsangriffen wie Spectre und Meltdown ausgenutzt. Diese Angriffe umgehen die Sicherheitsgrenzen zwischen verschiedenen Speicherbereichen und können potenziell auf sensible Daten zugreifen.
Um die Risiken im Zusammenhang mit spekulativen Ausführungsangriffen zu mindern, können mehrere Maßnahmen ergriffen werden:
Software- und Firmware-Updates: Das Aktualisieren von Betriebssystemen, Compilern und Firmware ist entscheidend, um Sicherheitslücken, die durch spekulative Ausführung ausgenutzt werden könnten, zu schließen.
Mikrocode-Updates: Prozessorhersteller veröffentlichen häufig Mikrocode-Updates, um Sicherheitslücken zu beheben und die Sicherheit der spekulativen Ausführung zu verbessern.
Sicherheitsbest Practices: Die Anwendung sicherer Codierungspraktiken, das Befolgen von Codier-Richtlinien und regelmäßige Code-Reviews können dazu beitragen, das Risiko von Angriffen, die spekulative Ausführung ausnutzen, zu reduzieren. Es ist wichtig, dem Prinzip der geringsten Privilegien zu folgen und geeignete Berechtigungen und Zugriffskontrollen anzuwenden.
Durch die Kombination dieser präventiven Maßnahmen streben Software- und Hardwareforscher danach, die Sicherheit von Computersystemen zu verbessern und gegen spekulative Ausführungsangriffe zu schützen.
Verwandte Begriffe
Spekulative Ausführung: Die spekulative Ausführung ist die Fähigkeit des Prozessors, Anweisungen im Voraus auf Grundlage von Vorhersagen auszuführen, um die Leistung zu verbessern. Sie ermöglicht es dem Prozessor, an mehreren Anweisungen gleichzeitig zu arbeiten und dadurch den Gesamtdurchsatz zu erhöhen.
Spectre und Meltdown: Spectre und Meltdown sind Sicherheitslücken, die die spekulative Ausführung in modernen Prozessoren ausnutzen, um auf sensible Daten zuzugreifen. Diese Schwachstellen betreffen eine Vielzahl von Prozessoren verschiedener Hersteller und erfordern Software- und Firmware-Updates, um die Risiken zu mindern.