Forutsigelse av grener
Grenforutsigelse
Grenforutsigelse er en teknikk brukt i datamaskinprosessorer for å forbedre flyten av instruksjoner. Det fungerer ved å gjøre kvalifiserte gjetninger om hvilke instruksjoner som skal utføres, basert på de sannsynlige utfallene av betingede grener i koden. Ved å redusere antallet ventepauser i rørledningen forårsaket av greninstruksjoner, bidrar grenforutsigelse til å forbedre den totale ytelsen og effektiviteten til prosessoren.
Hvordan grenforutsigelse fungerer
Grenforutsigelsesalgoritmer analyserer historien til tidligere grener for å forutsi det sannsynlige utfallet av fremtidige. Det er viktig å merke seg at grenforutsigelse er en kompleks mekanisme som varierer avhengig av spesifikke datamaskinarkitekturer og typen greninstruksjoner som blir utført. Imidlertid kan den generelle prosessen oppsummeres som følger:
Betingede grener: I programmer oppstår betingede grener når utførelsesveien avhenger av en tilstand, som en "if"-setning eller en løkke. Det er et veikryss der utfallet kan gå på en av to eller flere måter.
Grenhistorietabell: For å gjøre forutsigelser opprettholder grenforutsigelsesalgoritmer en datastruktur kalt grenhistorietabellen. Denne tabellen registrerer informasjon om tidligere oppførsel av grener.
Gjøre forutsigelser: Når man støter på en betinget greninstruksjon, konsulterer grenforutsigelsesenheten i prosessoren grenhistorietabellen for å avgjøre om det finnes en registrering av lignende grenmønstre. Basert på den registrerte oppførselen forutsier den om grenen vil bli tatt eller ikke.
Spekulativ utførelse: Når en forutsigelse er gjort, begynner prosessoren å utføre de instruksjonene den forutsier vil være nødvendige neste. Dette er kjent som spekulativ utførelse. Prosessoren opererer under antagelsen av at det forutsagte utfallet vil være riktig.
Korrigere feil: Hvis gjetningen viser seg å være riktig, sparer prosessoren tid ved ikke å måtte vente på at den riktige instruksjonen skal bli hentet. Men hvis gjetningen er feil, må prosessoren forkaste resultatene av de spekulativt utførte instruksjonene og hente de riktige.
Ved å optimalisere utførelsen av betingede grener, bidrar grenforutsigelsesteknikker til å minimere effekten av grenfeilforutsigelser, redusere ventestopp i rørledningen og forbedre instruksjonsgjennomstrømningen.
Typer av grenforutsigelse
Det finnes ulike typer grenforutsigelsesalgoritmer brukt i moderne prosessorer, hver med sine egne fordeler og begrensninger. Noen vanlige brukte teknikker inkluderer:
Statisk grenforutsigelse: Denne enkle formen for grenforutsigelse antar at retningen på grener ikke endres under programutførelse. Den stoler på heuristikker, slik som å forutsi bakovergrener å bli tatt og forovergrener å ikke bli tatt.
Dynamisk grenforutsigelse: Dynamiske grenforutsigelsesteknikker bruker mer sofistikerte algoritmer som tilpasser sine forutsigelser basert på kjøretidsadferden til grener. De opprettholder en historie over grenutfall og bruker denne informasjonen for å gjøre nøyaktige forutsigelser. En ofte brukt dynamisk grenforutsigelsesalgoritme er den to-nivå adaptive grenforutsigelsen.
Korrelasjons grenforutsigelse: Korrelasjons grenforutsigelsesteknikker tar hensyn til forholdet mellom flere grener i et program. De bruker mønstre av tidligere grenutfall for å forutsi oppførselen til fremtidige grener.
Returadresse stakk forutsigelse: Returadresse stakk forutsigelse er en type grenforutsigelse spesielt designet for returfunksjoninstruksjoner. Den forutsier returadressene til funksjonskall for å forbedre effektiviteten av programutførelsen.
Redusere sikkerhetsrisikoer
Selv om grenforutsigelse i seg selv ikke er en sikkerhetstrussel, har den blitt utnyttet som en del av spekulative utførelsesangrep, som Spectre og Meltdown. Disse angrepene omgår sikkerhetsbarrierene mellom ulike minneområder og kan potensielt få tilgang til sensitiv data.
For å redusere risikoen forbundet med spekulative utførelsesangrep, kan flere tiltak iverksettes:
Programvare- og fastvareoppdateringer: Å holde operativsystemer, kompilatorer og fastvare oppdatert er avgjørende for å tette sikkerhetshull som kan utnyttes gjennom spekulativ utførelse.
Mikrokodeoppdateringer: Prosessorprodusenter utgir ofte mikrokodeoppdateringer for å adressere sårbarheter og forbedre sikkerheten til spekulativ utførelse.
Sikkerhetsbeste praksis: Å anvende sikker kodepraksis, følge kodeveiledninger, og gjennomføre regelmessige kodevurderinger kan bidra til å redusere risikoen for angrep som utnytter spekulativ utførelse. Det er viktig å følge prinsippet om minst privilegium og anvende passende tillatelser og tilgangskontroller.
Ved å kombinere disse forebyggende tiltakene, strever programvare- og maskinvareforskere etter å forbedre sikkerheten til datasystemer og beskytte mot spekulative utførelsesangrep.
Relaterte termer
Spekulativ utførelse: Spekulativ utførelse er prosessorens evne til å utføre instruksjoner på forhånd, basert på forutsigelser, for å forbedre ytelsen. Det lar prosessoren arbeide med flere instruksjoner samtidig, noe som øker den totale gjennomstrømningen.
Spectre og Meltdown: Spectre og Meltdown er sikkerhetssårbarheter som utnytter spekulativ utførelse i moderne prosessorer for å få tilgang til sensitiv data. Disse sårbarhetene påvirker et bredt spekter av prosessorer fra ulike produsenter og krever programvare- og fastvareoppdateringer for å redusere risikoen.