实验3 指令调度与延迟分支

实验3 指令调度与延迟分支

3.1 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）熟练账务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

3.2 实验平台

实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim 设计：张晨曦教授，版权所有 开发：孙太一

3.3 实验内容和步骤

首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法（见1.4节）

（1）启动MIPSsim。

（2）根据2.5节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，掌握各流水线寄存器的含义（双击各段，就可以看到各流水线寄存器中的内容）

（3）选择“配置”→“流水方式”选项，使模拟器工作在流水方式下。 （4）用指令调度技术解决流水线中的数据冲突： 1）启动MIPSsim

2）用MIPSsim的“文件”->“载入程序”选项来加载schedule.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）。

3）关闭定向功能，这是通过“配置“->”定向“选项来实现的。

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。

答:RAW数据冲突发生16次，其中lord停顿6次，自陷停顿1次，程序执行的总的时钟周期数33个。发生冲突的指令组合：

ADDIU $r1,$r0,56 LW $r2,0($r1) ADD $r4,$r0,$r2 SW $r2,0($r1) LW $r6,4($r1) ADD $r8,$r6,$r1 MUL $r12,$r10,$r1 ADD

$r16,$r12,$r1 ADD $r18,$r16,$r1发生了RAW冲突

5）自己采用调度技术对程序进行指令调度，消除冲突（自己修改源程序）。将调度（修改）后的程序重新命名为afer-schedule.s。（注意：调度方法灵活多样，在保

证程序正确性的前提下自己随意调度，尽量减少冲突即可，不要求要达到最优。）

载入afer-schedule.s，执行该程序，记录程序执行的总时钟周期数。 比较调度前和调度后的性能，论述指令调度对提高CPU性能的作用。 答：afer-schedule.s指令代码 .text main:

ADDIU $r1,$r0,A MUL $r22,$r20,$r14 LW $r2,0($r1) MUL $r24,$r26,$r14 ADD $r4,$r0,$r2 LW $r6,4($r1) SW $r4,0($r1) ADD $r8,$r6,$r1 MUL $r12,$r10,$r1 ADD $r18,$r16,$r1 ADD $r16,$r12,$r1 SW $r18,16($r1) LW $r20,8($r1) TEQ $r0,$r0 .data A: .word 4,6,8

调度后的执行周期数为21。指令调度让指令顺序重新组织顺序可以消除部分的数据冲突，指令调度的优劣直接影响着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。

1）用延迟分支技术减少分支指令对性能的影响：

在MIPSsim中载入branch.s样例程序（在本模拟器目录的“样例程序”

文件夹中 ），关闭延迟分支功能，执行该程序（用连续执行方式），记录发生分支延迟的时刻，记录该程序执行的总时钟周期数。 答：分支延迟的时刻第13个周期，总的时钟周期数为38个

假设延迟槽为一个，自己对branch.s程序进行指令调度（自己修改源程序），将调度后的程序重新命名为delayed-branch.s。

载入delayed-branch.s，打开延迟分支功能，执行该程序，观察其时钟周期图，记录程序执行的总时钟周期数。

对比不采用延迟分支和采用延迟分支两种情况下的时钟周期图，比较两种情况下的性能之间的不同，论述延迟分支对提高CPU性能的作用。 答：delayed-branch.s程序清单 .text main:

ADDI $r2,$r0,1024 ADD $r3,$r0,$r0 ADDI $r4,$r0,8 loop:

LW $r1,0($r2) ADDI $r1,$r1,1 ADDI $r3,$r3,4 SUB $r5,$r4,$r3 SW $r1,0($r2) BGTZ $r5,loop ADD $r7,$r0,$r6 TEQ $r0,$r0

执行的时钟周期总数为31个。只要分支延迟槽中的指令是有用的，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地。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/04a7.html