實驗五 指令調(diào)度和延遲分支

1、實驗5 指令調(diào)度和延遲分支一.實驗目的（1）加深對指令調(diào)度技術的理解。（2）加深對延遲分支技術的理解。（3）熟練掌握用指令調(diào)度技術解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突的方法。（4）進一步理解指令調(diào)度技術對CPU性能的改進。（5）進一步理解延遲分支技術對CPU性能的改進。二.實驗內(nèi)容和步驟:(1)、啟動MIPSsim。(2) 、根據(jù)前面的相關知識中關于流水線各段操作的描述，進一步理解流水線窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含義。指令流水線有取指(IF)、譯碼(ID)、執(zhí)行(EX)、訪存(MEM)、寫回寄存器堆(WB)5個過程段，共有7條指令連續(xù)輸入此流水線IF段(取指)：取指令，控制器必須具備能自動地從存儲

2、器中取出指令的功能ID段（譯碼）：指令譯碼、讀寄存器EX段（執(zhí)行）:執(zhí)行、訪存有效地址字段MEM段（訪存）:存儲器訪問WB（寫回寄存器堆）:結果寫回寄存器在該窗口中，每一個矩形方塊代表一個流水段，它們用不同的顏色填充。在該窗口的左側是IF到WB段，其右邊為浮點部件。浮點部件分有浮點加法部件（fadd）、浮點乘法部件（fmul）和浮點除法部件（fdiv）三種。在菜單“配置”“常規(guī)配置”中修改浮點部件個數(shù)，可看到該窗口中對應類型的浮點部件個數(shù)會發(fā)生相應的變化。(3) 、選擇“配置”-“流水方式”選項，使模擬器工作于流水方式下。(4)、用指令調(diào)度技術解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突。 1）啟動MIPSsim。

3、 2）加載schedule.s。 3）關閉定向功能。4） 執(zhí)行所載入的程序。通過查看統(tǒng)計數(shù)據(jù)和時鐘周期圖，找出并記錄程序執(zhí)行過程中各種沖突發(fā)生的次數(shù)、發(fā)生沖突的指令組合以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)。調(diào)度前：RAW發(fā)生的沖突周期數(shù)：2、3、5、6、8、9、11、12、15、16、18、19、21、22、25、26由以上可知：RAW數(shù)據(jù)沖突發(fā)生了16次，其中l(wèi)oad停頓6次，自陷停頓1次，停頓周期總數(shù)17次執(zhí)行過程中各種沖突發(fā)生次數(shù)：16次程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)：33次發(fā)生沖突的指令組合：TEQ $r0,$r0ADDIU $r1,$r0,56 LW $r2,0($r1) 與上條寫后讀沖突；ADD $

4、r4,$r0,$r2 與上條指令寫后讀沖突；SW $r4,0($r1） 與上條指令寫后讀沖突；LW $r6,4($r1) ADD $r8,$r6,$r1 與上條指令寫后讀沖突； MUL $r12,$r10,$r1 ADD $r16,$r12,$r1 與上條指令寫后讀沖突； ADD $r18,$r16,$r1 與上條指令組件沖突 SW $r18,16($r1) 與上條指令寫后讀沖突； LW $r20,8($r1) MUL $r22,$r20,$r14與上條指令寫后讀沖突； 5)采用指令調(diào)度技術對程序進行指令調(diào)度，消除沖突。將調(diào)度后的程序存到after-schedule.s中。 6)載入after

5、-schedule.s。 7)執(zhí)行該程序。觀察程序在流水線中的執(zhí)行情況，記錄程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)。調(diào)度后：執(zhí)行總時鐘周期數(shù)為19，其中RAW停頓2次、load停頓0次、自陷停頓1次。停頓總周期占總執(zhí)行周期的15.78947%。 8)根據(jù)記錄結果，比較調(diào)度前和調(diào)度后的性能。論述指令調(diào)度對于提高CPU性能的作用。 根據(jù)記錄結果：指令調(diào)度后時鐘總周期數(shù)從33降低到19，指令調(diào)度使指令順序重新組合，可以消除部分的數(shù)據(jù)沖突，從而通過指令調(diào)度技術顯著地提高了CPU的使用率，大大減少了指令沖突的次數(shù)，提高了CPU的性能。指令調(diào)度的優(yōu)劣直接影響CPU性能的發(fā)揮好壞，好的指令調(diào)度可以讓停頓周期大幅度減少。（5

6、）、用延遲分支減少分支指令對性能的影響。1）啟動MIPSsim。2） 載入branch.s。3） 關閉延遲分支功能。單擊“配置”“延遲槽”，使處于關閉狀態(tài) 即為默認狀態(tài)4） 執(zhí)行該程序。觀察并記錄發(fā)生分支延遲的時刻。沒有采用分支延遲：答：發(fā)生分支延遲的時刻為：第18周期。5） 記錄執(zhí)行該程序所用的總時鐘周期數(shù)。執(zhí)行周期總數(shù)為38，其中RAW停頓16次、load停頓4次、控制停頓0次、自陷停頓1次?？偼ｎD周期占總執(zhí)行周期的50%。6） 假設延遲槽有1個，對branch.s進行指令調(diào)度，然后保存到“delayed-branch.s”中。7） 載入delayed-branch.s。 8） 打開延遲分

7、支功能。單擊“配置”“延遲槽”，使該項前有來實現(xiàn)9） 執(zhí)行該程序。觀察其時鐘周期圖。采用分支延遲：10） 記錄執(zhí)行該程序所用的總時鐘周期數(shù)?？倳r鐘周期數(shù)為26。其中RAW停頓4次、load停頓2次、自陷停頓1次?？偼ｎD周期占總執(zhí)行周期的19.23077%。 11） 對比上述兩種情況下的時鐘周期圖。 見上圖12） 根據(jù)記錄結果，比較沒采用延遲分支和采用了延遲分支的性能之間的不同。論述延遲分支對于提高CPU性能的作用。答：沒采用分支延遲的時候周期總數(shù)為38，采用分支后的周期總數(shù)為26，可知，在使用延遲槽后，指令在運行到跳轉指令時，不會出現(xiàn)延遲等待，則能夠提高CPU的性能。并且在使用延遲后，指令在運

8、行到跳轉指令時，不會出現(xiàn)延遲等待，則能夠提高CPU的性能。所以只要分支延遲槽中的指令是夠用的，流水線中就沒有停頓，這時延遲分支的方法就能很好的減少分支延遲。所以放入延遲槽中的指令是很重要的，對CPU性能的影響是很顯著的！ 分支延遲槽 (Branch delay slot)，簡單地說就是位于分支指令后面的一條指令，不管分支發(fā)生與否其總是被執(zhí)行，而且位于分支延遲槽中的指令先于分支指令提交 (commit)。3. 實驗結果分析 實驗結論：指令調(diào)度讓指令順序重新組織后能消除部分的數(shù)據(jù)沖突，指令調(diào)度的優(yōu)劣直接影響CPU性能的發(fā)揮好壞，好的指令調(diào)度可以讓停頓周期大幅度減少。只要分支延遲槽中的指令時有用的，

9、流水線中就沒有停頓，這是延遲分支的方法就能很好的減少分支延遲，所以放入延遲槽中的指令是很重要的，對CPU性能的影響是顯著的。1.了解了什么是指令調(diào)度以及指令調(diào)度對CPU性能的影響：指令調(diào)度：為了減少停頓，對于無法使用定向技術解決的問題，可以通過指令調(diào)度讓指令順序重新組織后能消除部分的數(shù)據(jù)沖突，指令調(diào)度的優(yōu)劣直接影響CPU性能的發(fā)揮好壞，好的指令調(diào)度可以讓指令周期大幅度減少。指令調(diào)度對CPU性能的影響：指令調(diào)度技術減少了指令沖突的次數(shù)，提高了CPU的性能。2.延遲分支：位于分支指令后面的一條指令，不管分支發(fā)生與否其總是被執(zhí)行，而且位于分支延遲槽中的指令先于分支指令提交。只要分支延遲槽中的指令時有

10、用的，流水線中就沒有停頓，這是延遲分支的方法就能很好的減少分支延遲，所以放入延遲槽中的指令是很重要的，對CPU性能的影響是顯著的。延遲分支對CPU性能的影響： 延遲分支減少分支指令能夠稍微提高GPU的性能。3.了解到執(zhí)行分支指令的結果有兩種：一種是分支“成功”，PC的值改變?yōu)榉种мD移的目標地址，另一種情況分支“不成功”，這是PC的值保持正常遞增，指向順序的下一條指令。四.實驗心得通過本次實驗鍛煉了我的動手操作能力，我對指令調(diào)度和延遲分支有了進一步的了解和掌握，我學到了分支延遲調(diào)度的方法，并初步掌握了用指令調(diào)度技術解決指令流水線中的數(shù)據(jù)沖突問題的方法。理解了指令調(diào)度技術和延遲分支技術對CPU性能的改