实验3 指令调度和延迟分支

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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。

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/u0gg.html

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