完整word版实验五 指令调度和延迟分支.docx

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完整word版实验五指令调度和延迟分支

实验5指令调度和延迟分支

一.实验目的

（1）加深对指令调度技术的理解。

（2）加深对延迟分支技术的理解。

（3）熟练掌握用指令调度技术解决流水线中的数据冲突的方法。

（4）进一步理解指令调度技术对CPU性能的改进。

（5）进一步理解延迟分支技术对CPU性能的改进。

二.实验内容和步骤:

（1）、启动MIPSsim。

（2）、根据前面的相关知识中关于流水线各段操作的描述，进一步理解流水线窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含义。

指令流水线有取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、访存（MEM）、写回寄存器堆（WB）5个过程段，共有7条指令连续输入此流水线

IF段（取指）：

取指令，控制器必须具备能自动地从存储器中取出指令的功能

ID段（译码）：

指令译码、读寄存器

EX段（执行）:

执行、访存有效地址字段

MEM段（访存）:

存储器访问

WB（写回寄存器堆）:

结果写回寄存器

在该窗口中，每一个矩形方块代表一个流水段，它们用不同的颜色填充。

在该窗口的左侧是IF到WB段，其右边为浮点部件。

浮点部件分有浮点加法部件（fadd）、浮点乘法部件（fmul）和浮点除法部件（fdiv）三种。

在菜单“配置”“常规配置”中修改浮点部件个数，可看到该窗口中对应类型的浮点部件个数会发生相应的变化。

（3）、选择“配置”->“流水方式”选项，使模拟器工作于流水方式下。

（4）、用指令调度技术解决流水线中的数据冲突。

1）启动MIPSsim。

2）加载schedule.s。

3）关闭定向功能。

4）执行所载入的程序。

通过查看统计数据和时钟周期图，找出并记录程序执行过程中各种冲突发生的次数、发生冲突的指令组合以及程序执行的总时钟周期数。

调度前：

RAW发生的冲突周期数：

2、3、5、6、8、9、11、12、15、16、18、19、21、22、25、26

由以上可知：

RAW数据冲突发生了16次，其中load停顿6次，自陷停顿1次，停顿周期总数17次

执行过程中各种冲突发生次数：

16次

程序执行的总时钟周期数：

33次

发生冲突的指令组合：

TEQ$r0,$r0

ADDIU$r1,$r0,56

LW$r2,0（$r1）与上条写后读冲突；

ADD$r4,$r0,$r2与上条指令写后读冲突；

SW$r4,0（$r1）与上条指令写后读冲突；

LW$r6,4（$r1）

ADD$r8,$r6,$r1与上条指令写后读冲突；

MUL$r12,$r10,$r1

ADD$r16,$r12,$r1与上条指令写后读冲突；

ADD$r18,$r16,$r1与上条指令组件冲突

SW$r18,16（$r1）与上条指令写后读冲突；

LW$r20,8（$r1）

MUL$r22,$r20,$r14与上条指令写后读冲突；

5）采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除冲突。

将调度后的程序存到after-schedule.s中。

6）载入after-schedule.s。

7）执行该程序。

观察程序在流水线中的执行情况，记录程序执行的总时钟周期数。

调度后：

执行总时钟周期数为19，其中RAW停顿2次、load停顿0次、自陷停顿1次。

停顿总周期占总执行周期的15.78947%。

8）根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。

论述指令调度对于提高CPU性能的作用。

根据记录结果：

指令调度后时钟总周期数从33降低到19，指令调度使指令顺序重新组合，可以消除部分的数据冲突，从而通过指令调度技术显著地提高了CPU的使用率，大大减少了指令冲突的次数，提高了CPU的性能。

指令调度的优劣直接影响CPU性能的发挥好坏，好的指令调度可以让停顿周期大幅度减少。

（5）、用延迟分支减少分支指令对性能的影响。

1）启动MIPSsim。

2）载入branch.s。

3）关闭延迟分支功能。

单击“配置”“延迟槽”，使处于关闭状态即为默认状态

4）执行该程序。

观察并记录发生分支延迟的时刻。

没有采用分支延迟：

答：

发生分支延迟的时刻为：

第18周期。

5）记录执行该程序所用的总时钟周期数。

执行周期总数为38，其中RAW停顿16次、load停顿4次、控制停顿0次、自陷停顿1次。

总停顿周期占总执行周期的50%。

6）假设延迟槽有1个，对branch.s进行指令调度，然后保存到“delayed-branch.s”中。

7）载入delayed-branch.s。

8）打开延迟分支功能。

单击“配置”“延迟槽”，使该项前有√来实现

9）执行该程序。

观察其时钟周期图。

采用分支延迟：

10）记录执行该程序所用的总时钟周期数。

总时钟周期数为26。

其中RAW停顿4次、load停顿2次、自陷停顿1次。

总停顿周期占总执行周期的19.23077%。

11）对比上述两种情况下的时钟周期图。

见上图

12）根据记录结果，比较没采用延迟分支和采用了延迟分支的性能之间的不同。

论述延迟分支对于提高CPU性能的作用。

答：

没采用分支延迟的时候周期总数为38，采用分支后的周期总数为26，可知，在使用延迟槽后，指令在运行到跳转指令时，不会出现延迟等待，则能够提高CPU的性能。

并且在使用延迟后，指令在运行到跳转指令时，不会出现延迟等待，则能够提高CPU的性能。

所以只要分支延迟槽中的指令是够用的，流水线中就没有停顿，这时延迟分支的方法就能很好的减少分支延迟。

所以放入延迟槽中的指令是很重要的，对CPU性能的影响是很显著的！

分支延迟槽（Branchdelayslot），简单地说就是位于分支指令后面的一条指令，不管分支发生与否其总是被执行，而且位于分支延迟槽中的指令先于分支指令提交（commit）。

3.实验结果分析

实验结论：

指令调度让指令顺序重新组织后能消除部分的数据冲突，指令调度的优劣直接影响CPU性能的发挥好坏，好的指令调度可以让停顿周期大幅度减少。

只要分支延迟槽中的指令时有用的，流水线中就没有停顿，这是延迟分支的方法就能很好的减少分支延迟，所以放入延迟槽中的指令是很重要的，对CPU性能的影响是显著的。