指令調(diào)度和分支延遲實驗報告

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗報告班級計算機一班實驗日期2019.3.27實驗成績姓名顧川瑀學號22920162203979實驗名稱指令調(diào)度和分支延遲實驗?zāi)康?、要求加深對指令調(diào)度技術(shù)的理解；加深對延遲分支技術(shù)的理解；熟練掌握用指令調(diào)度技術(shù)解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突的方法；進一步理解指令調(diào)度技術(shù)對CPU性能的改進；進一步理解延遲分支技術(shù)對CPU性能的改進。實驗內(nèi)容、步驟及結(jié)果實驗步驟：1、 啟動MIPSsim。2、 根據(jù)2.5節(jié)相關(guān)內(nèi)容關(guān)于流水線的描述，進一步理解流水線窗口中各段的功能；3、 選擇“配置”--“流水方式”選項；4、 用指令調(diào)度解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突（1） 啟動MIPSsim；（2） 用MIPSsim的“文件”—“載入程序”選項加載schedule.s；（3） 關(guān)閉定向功能，“配置”—“定向”；（4） 執(zhí)行載入程序，通過查看統(tǒng)計數(shù)據(jù)與始終周期圖，找出并記錄程序執(zhí)行過程中各種沖突的次數(shù)沒發(fā)生沖突的指令組合以及程序執(zhí)行的總周期數(shù)。程序執(zhí)行的總周期數(shù)為33。程序沖突的組合：ADDIU$r1,$r0,ALW$r2,0($r1)與上條指令存在寫后讀沖突ADD$r4,$r0,$r2與上條指令存在寫后讀沖突SW$r4,0($r1)與上條指令存在寫后讀沖突LW$r6,4($r1)ADD$r8,$r6,$r1與上條指令存在寫后讀沖突MUL$r12,$r10,$r1ADD$r16,$r12,$r1與上條指令存在寫后讀沖突ADD$r18,$r16,$r1與上條指令存在組件沖突SW$r18,16($r1)與上條指令存在寫后讀沖突LW$r20,8($r1)MUL$r22,$r20,$r14與上條指令存在寫后讀沖突MUL$r24,$r26,$r14TEQ$r0,$r0（5） 采用指令調(diào)度技術(shù)對程序進行指令調(diào)度，消除沖突。將調(diào)度后的程序?qū)懭隺fer-schedule.s中。程序afer-schedule.s代碼為：.textmain:ADDIU$r1,$r0,AMUL$r24,$r26,$r14LW$r2,0($r1)MUL$r12,$r10,$r1LW$r6,4($r1)ADD$r4,$r0,$r2ADD$r16,$r12,$r1ADD$r8,$r6,$r1LW$r20,8($r1)ADD$r18,$r16,$r1SW$r4,0($r1)MUL$r22,$r20,$r14SW$r18,16($r1)TEQ$r0,$r0.dataA:.word4,6,8（6） 載入after-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)。總時鐘周期數(shù)為：19（8） 根據(jù)記錄結(jié)果，比較調(diào)度前與調(diào)度后的性能，論述指令調(diào)度對與提高CPU性能的作用。指令調(diào)度后時鐘總周期從33減至19后，通過使用指令調(diào)度技術(shù)顯著地提高了CPU的使用率，減少了指令沖突的次數(shù)，對提高CPU性能有較為明顯的作用。5、 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(guān)閉延遲分支功能，“配置”—“延遲槽”。（4） 執(zhí)行程序，觀察并記錄發(fā)生分支延遲的時刻。在第18個時鐘周期，指令BGTZ$R5,LOOP的EX段發(fā)生分支延遲。（5） 記錄執(zhí)行改程序所需要的總時鐘周期數(shù)（6） 假設(shè)延遲槽為一個，對branch.s進行指令調(diào)度，然后保存到delayed-branch.s中；程序delayed-branch.s代碼如下：main:ADDI$r2,$r0,1024ADD$r3,$r0,$r0ADDI$r4,$r0,8loop:LW$r1,0($r2)ADDI$r3,$r3,4ADDI$r1,$r1,1SUB$r5,$r4,$r3SW$r1,0($r2)BGTZ$r5,loopLW$r1,0($r2)ADD$r7,$r0,$r6TEQ$r0,$r0（7） 載入delayed-branch.s。（8） 打開延遲分支功能。（9） 執(zhí)行該程序，觀察其時鐘周期圖。（10） 記錄執(zhí)行該程序所用的總時鐘周期數(shù)；（11） 對比上述兩種情況的時鐘周期圖。（12） 根據(jù)記錄結(jié)果，比較沒采用延遲分支和采用了延遲分支的性能之間的不同，論述延遲分支對于提高CPU性能的作用。對比沒采取延遲分支和采取延遲分支所用的時鐘周期數(shù)后可知，使用延遲分支后，指令在運行大跳轉(zhuǎn)指令BGTZ附近時，在期望概率上很大部分可能不會出現(xiàn)延遲等待，因此能夠稍微地提高CPU性能。本次實驗中跳轉(zhuǎn)指令較少，在跳轉(zhuǎn)指令較多的程序中，此方法效果應(yīng)該會更好。6、補充實驗（1）通過配置菜單，把加法﹑乘法﹑除法部件的個數(shù)設(shè)置為2個，把延遲都設(shè)置為3個時鐘周期；用MIPS語言編寫一段簡單的程序，至少包含數(shù)據(jù)相關(guān)和結(jié)構(gòu)相關(guān)，包含循環(huán)次數(shù)為4的倍數(shù)的循環(huán)，運行程序。記錄程序執(zhí)行過程中各種相關(guān)發(fā)生的次數(shù)、發(fā)生相關(guān)的指令組合，以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)。編寫test1.s，代碼如下：.textmain:ADDIU$r1,$r0,6ADDIU$r2,$r0,4loop:ADDIU$r1,$r1,1MUL$r3,$r3,$r1ADDIU$r2,$r2,-1BGTZ$r2,loopTEQ$r0,$r0總時間周期為：42（2）用循環(huán)展開、寄存器換名以及指令調(diào)度提高性能；將循環(huán)展開3次，將4個循環(huán)體組成的代碼代替原來的循環(huán)體，并對程序做相應(yīng)的修改。然后對新的循環(huán)體進行寄存器換名和指令調(diào)度；運行修改后的程序，記錄執(zhí)行過程中各種相關(guān)發(fā)生的次數(shù)以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)。編寫test2.s，代碼如下：.textmain:ADDIU$r1,$r0,6ADDIU$r2,$r0,4loop:ADDIU$r1,$r1,1ADDIU$r3,$r1,1ADDIU$r4,$r3,1ADDIU$r6,$r4,1MUL$r7,$r1,$r1MUL$r8,$r3,$r3MUL$r9,$r4,$r4MUL$r10,$r6,$r6ADDIU$r2,$r2,-4BGTZ$r2,loopTEQ$r0,$r0總結(jié)這次實驗，主要內(nèi)容是指令調(diào)度技術(shù)和延遲分支技術(shù)，通過課堂上老師的講解，習題的練習以及實驗課親手實