实验3 指令调度和延迟分支

实验3 指令调度和延迟分支

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） 熟练掌握用指令调度技术解决指令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 指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim。

3.3 实验内容和步骤 （1）启动MIPSsim。

（2）进一步理解流水段的构成和各个流水寄存器的功能。 （3）选择“配置”下的“流水方式”，让模拟器工作于流水方式下。 （4）采用指令调度技术解决流水线中的数据冲突。步骤如下：

1) 载入程序schedule.s。 2) 关闭定向功能。

3) 执行载入的程序。观察时钟周期图，找出程序执行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。 时钟周期图如下：

由以上知：RAW数据冲突发生了16次，其中load停顿6次，自陷停顿1次。 发生冲突的指令组合： ADDIU $r1,$r0,A

LW $r2,0($r1)与上条写后读冲突； ADD $r4,$r0,$r2

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； 程序执行的总时钟周期数为33。

4) 采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除冲突。将调度后的指令存到

after-schedule.s中。

答：after-schedule.s指令代码如下：

.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

5) 载入after-schedule.s。

6) 执行程序，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。

则程序执行的总时钟周期数为21。

7) 根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。论述指令调度对提高CPU性能的作

用。

时钟周期图：

调度前的执行周期为33，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，指令调度影响CPU性能，通过使用指令调度提高了CPU的使用率，大大减少了指令冲突的次数，提高了CPU性能。 （5）采用延迟分支减少分支指令对性能的影响。步骤如下：

1) 启动MIPSsim。 2) 载入branch.s。

3) 关闭延迟分支功能。通过“配置”下取消“延迟槽”选项。 4) 执行该程序，观察并记录发生分支延迟的时刻。

答：分支延迟的时刻为第13个周期。 5) 记录该程序执行的总时钟周期数。

6)

7) 8) 9)

程序执行的总时钟周期数为38。

假设延迟槽为一个，对程序进行指令调度，然后保存到delay-branch.s中。 delay-branch.s的指令代码： .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

载入delay-branch.s。 打开延迟分支功能。

执行该程序，观察时钟周期图。 时钟周期图：

10) 记录执行该程序的总的时钟周期数。

程序的总的时钟周期数为31。

11) 对比上述两种情况下的时钟周期图。 12) 根据记录，比较没有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CPU性能的作用。

答：比较两种情况的时钟周期总数，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。 3.4 实验结论和实验心得

实验结论：

从前调度，在任何情况下，被调度的指令必须与分支无关。从目标处调度，当分支成功时，必须保证在分支失败时执行被调度的指令不会导致错误，有可能需要复制指令。延迟可以提高CPU的性能。 实验心得体会：

通过本次实验，我对指令调度和延迟分支有了进一步的了解和掌握，并掌握了用指令调度技术解决指令流水线中的数据冲突问题的方法。理解了指令调度技术和延迟分支技术对CPU性能的改进。这对我以后的计算机系统结构的学习打下了坚实的基础，让我不断提高，增长了我的知识。

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