指令调度和延迟分支
实验一 流水线及流水线中的冲突
实验一流水线及流水线中的冲突程元彬PB12011076实验目的1.加深对计算机流水线基本概念的理解；2.理解MIPS结构如何用5段流水线来实现，理解各段的功能和基本操作；3.加深对数据冲突、结构冲突的理解，理解这两类冲突对CPU性能的影响；4.进一步理解解决数据冲突的方法，掌握如何应用定向技术来减少数据冲突引起的停顿。
5.加深对指令调度和延迟分支技术的理解；6.熟练掌握用指令调度技术来解决流水线中的数据冲突的方法；7.进一步理解指令调度技术和延迟分支技术对CPU性能的改进。
实验平台指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim，实验内容和步骤首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。
一、流水线及流水线中的冲突观察1. 启动MIPSsim。
2．根据预备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，掌握各流水寄存器的含义。
（用鼠标双击各段，就可以看到各流水寄存器的内容）3. 熟悉MIPSsim模拟器的操作和使用方法。
可以先载入一个样例程序（在本模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件夹中），然后分别以单步执行一个周期、执行多个周期、连续执行、设置断点等的方式运行程序，观察程序的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容的变化，特别是流水寄存器内容的变化。
4. 勾选配置菜单中的“流水方式”，使模拟器工作于流水方式下。
5．观察程序在流水线中的执行情况，步骤如下：(1)用MIPSsim的“文件”菜单中的“载入程序”来加载pipeline.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）；(2)关闭定向功能。
这是通过在“配置”菜单中去选“定向”（即使得该项前面没有“√”号）来实现的；(3)用单步执行一周期的方式（“执行”菜单中，或用F7）执行该程序，观察每一周期中，各段流水寄存器内容的变化、指令的执行情况（代码窗口）以及时钟周期图；(4)当执行到第10个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是：IF：ADDI $r6,$r0,8ID：ADD $r2,$r1,$r0EX：BGEZAL $r1,funcMEM：无WB：无画出这时的时钟周期图。
指令调度名词解释__概述说明以及解释
指令调度名词解释概述说明以及解释1. 引言1.1 概述在计算机领域，在执行指令的过程中，指令调度起着重要的作用。
指令调度是操作系统对CPU处理器进行任务分配和进程管理的关键部分。
它通过合理安排和调度进程的执行顺序，可以提高CPU利用率、降低响应时间，并改善系统性能。
1.2 文章结构本文将首先对指令调度进行名词解释，包括定义、功能和作用，分类和特点等方面进行详细说明。
接着，将概述指令调度的背景与重要性，探讨其执行流程和原则，并介绍常见的调度算法及其评估标准。
然后，将解释指令调度的关键要点，包括就绪队列管理与进程优先级划分策略、时间片轮转算法以及抢占式调度策略等内容。
最后，在结论部分总结主要观点和结论，展望指令调度的发展前景和未来研究方向，并提出存在问题并给予建议。
1.3 目的本文旨在全面解释和说明指令调度相关的核心概念和原理，并深入分析其功能、作用以及应用场景。
通过本文的阐述，读者可以了解指令调度的重要性、优化策略和算法，并对当前的研究热点和未来发展进行展望。
同时，通过指出存在的问题并提供建议，为进一步研究和改善指令调度提供参考。
2. 指令调度名词解释2.1 定义:指令调度是操作系统中的一个重要概念，它是指根据一定的策略将处于就绪状态的进程分配给处理器执行的过程。
具体而言，指令调度负责选择哪个进程将被优先执行以及在多个进程竞争处理器时如何进行调度。
2.2 功能和作用:指令调度的主要功能是合理安排系统资源，提高计算机处理效率。
通过合适地安排进程之间的执行顺序，可以充分利用CPU，并确保各个进程得到公平的机会使用处理器。
同时，指令调度也能够有效地响应用户请求，并保证每个进程都能及时得到运行并完成任务。
2.3 分类和特点:根据不同的需求和策略，指令调度可以分为多种类型。
常见的几种调度算法包括先来先服务（First-Come-First-Served）、短作业优先（Shortest Job First）、最高优先权（Highest Priority）和时间片轮转（Round Robin）等。
单片机指令的多任务处理与调度
单片机指令的多任务处理与调度单片机是一种微型计算机系统，拥有一个单一的集成电路芯片，其内部包含中央处理器、存储器和输入/输出接口等基本组成部件。
单片机通过执行一条条指令来进行计算和控制操作。
在实际应用中，我们常常需要单片机同时完成多个任务，这就需要进行多任务处理和调度。
多任务处理是指单片机能够在同一个时间周期内处理多个任务，以提高系统的效率和响应能力。
而多任务调度则是指将多个任务按照一定的优先级顺序进行分配和执行的过程。
在单片机的多任务处理与调度中，我们可以使用中断、定时器、轮询等方法来实现。
首先，中断是一种常见的多任务处理与调度方法。
当某个任务需要被立即处理时，可以通过产生中断来打断当前正在执行的任务，转而去处理中断任务。
通过使用不同的中断优先级，可以实现对任务的合理分配和处理。
例如，当一个任务的中断优先级较高时，可以打断当前任务的执行，立即去处理中断任务。
其次，定时器也是一种常用的多任务处理与调度方法。
通过设置定时器，在特定的时间周期内，可以定时执行某个任务。
通过合理设置定时器的时间间隔和优先级，可以实现对多个任务的调度。
例如，当一个任务的定时器周期结束时，系统会自动切换到另一个任务的执行。
此外，轮询也是一种常见的多任务处理与调度方法。
通过轮询各个任务的状态，可以实现对多个任务的循环执行。
通过合理设置任务的优先级和执行顺序，可以确保各个任务按照一定的规则被执行。
例如，可以设置一个循环计数器，在每个时间周期内，按照一定的顺序轮询执行各个任务。
在实际应用中，我们常常需要根据任务的重要性和紧急程度来进行多任务处理与调度。
可以根据任务的特点和需求，合理选择适用的方法。
同时，还需要考虑到系统资源的限制和任务之间的关联性，以确保多任务处理与调度的效果和稳定性。
总之，单片机指令的多任务处理与调度是一项重要的技术，可以提高系统的效率和响应能力。
通过使用中断、定时器、轮询等方法，可以实现对多个任务的分配和执行。
吉林大学计算机系统结构题库第三章
第三章流水线技术知识点汇总先行控制、流水线、单功能流水线、多功能流水线、静态流水线、动态流水线、部件级流水线、处理机级流水线、处理机间流水线、线性流水线、非线性流水线、顺序流水线、乱序流水线、时空图、流水线性能评价（吞吐率、加速比、效率）、解决流水线瓶颈问题方法、相关（数据相关、名相关、控制相关）、换名技术、流水线冲突（结构冲突、数据冲突、控制冲突）、流水线互锁机制、定向技术、指令调度、预测分支失败、预测分支成功、延迟分支（从前调度、从失败处调度、从成功处调度）、流水寄存器、3种向量处理方式（横向、纵向、纵横）、链接技术。
简答题1.流水技术有哪些特点？（答出4个即可）（知识点：流水线）答：1.将处理过程分解为若干子过程，由专门的功能部件来实现，2各段的时间尽可能相等，3各部件间都有一个缓冲寄存器，4适用于大量重复的时序过程，5需要通过时间和排空时间。
2.什么是静态流水线？什么是动态流水线？（知识点：静态流水线、动态流水线）答：同一时间段内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作；同一时间段内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接同时执行多种功能。
3.什么是单功能流水线？什么是多功能流水线？（知识点：单功能流水线、多功能流水线）答：只能完成一种固定功能的流水线。
流水线的各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能。
4.什么是线性流水线？什么是非线性流水线？（知识点：线性流水线、非线性流水线）答：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。
流水线中除了有串行的连接外，还有反馈回路。
5.列举3种相关。
（知识点：相关）答：数据相关，名相关，控制相关。
6.流水线中有哪三种冲突？各是什么原因造成的？（知识点：流水线冲突）答：结构冲突，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求；数据冲突，指令在流水线中重叠执行时需要用到前面指令的执行结果；控制冲突，流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令。
7.选择至少2种解决流水线结构冲突的方法简述。
全局指令调度名词解释系统结构
全局指令调度名词解释系统结构第一章名称解析：程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
软件兼容：一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上运行。
差别只是执行时间的不同。
时间重叠：在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。
资源重复：在并行性概念中引入空间因素，以数量取胜。
通过重复设置硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能。
实现软件可移植的方法：采用系列机方法，只能在具有相同系统结构的各种机器之间实现软件移植，般是一个厂家生产的机器。
采用模拟与仿真的方法，可在不同系统结构的机器之间相互移植软件，对于使用频率较高的指令，尽可能用仿真方法以提高运算速度，而对于使用频率低且难于用仿真实现的指令则用模拟方法来实现。
采用统一的高级语言方法，可以解决结构相同或完全不同的各种机器上的软件移植，但是，要统一高级语言，语言的标准化很重要，但难以在短期内解决。
第二章2.1解释下列术语堆栈型机器：CPU中存储操作数的单元是堆栈的机器。
累加器型机器：CPU中存储操作数的单元是累加器的机器通用寄存器型机器：CPU中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。
CISC：复杂指令集计算机RISC：精简指令集计算机寻址方式：指令系统中如何形成所要访问的数据的地址。
一般来说，寻址方式可以指明指令中的操作数是一个常数丶一个寄存器操作数或者是一个存储器操作数数据表示：硬件结构能够识别、指令系统可以直接调用的那些数据结构。
2.2区别不同指令集结构的主要因素是什么？根据这个主要因素可将指令集结构分为哪3类？答：区别不同指令集结构的主要因素是CPU中用来存储操作数的存储单元。
据此可将指令系统结构分为堆栈结构、累加器结构和通用寄存器结构。
2.3指令集结构设计所涉及的内容有哪些？指令集功能设计：主要有RISC和CISC两种技术发展方向；寻址方式的设计：设置寻址方式可以通过对基准程序进行测试统计，察看各种寻址方式的使用频率，根据适用频率设置必要的寻址方式。
指令调度和延迟分支实验总结
指令调度和延迟分支实验总结指令调度和延迟分支是计算机体系结构中的两个重要概念。
指令调度是指在执行指令时，通过优化指令的顺序和调整执行时间，以提高CPU的效率。
而延迟分支则是为了避免CPU在等待分支结果时浪费时间，采用一种预测技术来减少分支对CPU效率的影响。
一、指令调度1. 指令调度的概念指令调度是一种优化技术，通过重新排列程序中的指令顺序，使得CPU能够更好地利用其硬件资源。
在执行程序时，CPU需要从内存中读取指令，并将其解码为可执行操作码。
然后，CPU根据操作码进行运算，并将结果写回内存。
2. 指令调度的优点（1）提高CPU效率：通过重新排列程序中的指令顺序，可以使得CPU更好地利用其硬件资源，从而提高效率。
（2）减少空闲时间：由于程序中存在大量独立的操作，因此可以通过将这些操作组合起来执行，从而减少空闲时间。
（3）提高缓存命中率：由于现代计算机都采用了多级缓存结构，在进行数据访问时会涉及到缓存命中率的问题。
指令调度可以通过重新排列程序中的指令顺序，使得CPU能够更好地利用缓存，从而提高命中率。
3. 指令调度的实现方法（1）静态调度：在编译程序时，对程序进行指令重排，生成新的可执行代码。
（2）动态调度：在程序运行时，根据当前CPU状态和任务负载情况，动态地调整指令执行顺序。
二、延迟分支1. 延迟分支的概念延迟分支是一种预测技术，通过预测分支结果来减少CPU在等待分支结果时浪费时间。
由于分支语句会导致程序流程的改变，因此在执行分支语句时需要等待条件判断结果。
如果条件成立，则跳转到目标地址；否则继续执行下一条指令。
2. 延迟分支的优点（1）减少CPU空闲时间：由于CPU不需要等待分支结果就可以继续执行下一条指令，因此可以减少空闲时间。
（2）提高CPU效率：通过预测分支结果来减少CPU等待时间，从而提高效率。
3. 延迟分支的实现方法（1）静态预测：在编译程序时，对程序中的分支语句进行预测，并将预测结果保存在可执行代码中。
实验八 指令调度和延迟分支
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2019
学年
第
2
学期
课程名称计算机组成原理
实验序号实验8
实验项目指令调度和延迟分支
实验地点软件开发教学实训平台
实验学时2实验类型验证性
指导教师···
专业计算机科学与技术班级2017级计算机(2)
学号···姓名玄月二五
2019年3月
一、实验目的及要求
1、认识和学习指令调度；
2、了解调度指令延迟分支。
2、调度指令延迟分支的三种方法：为防止事故扩大，厂站值班员可不待调度指令自行进行以下紧急操作，但事后应立即向调度汇报：
(1)对人身和设备安全有威胁的设备停电；
(2)将故障停运已损坏的设备隔离；
(3)当厂站用电部分或全部停电时，恢复其电源；
(4)现场规程规定的可以不待调度指令自行...
四、实验结果分析
操作令又分为：单项操作令、逐项操作令和综合操作令。
a.单项操作令：值班调度员向运行值班员发布的单一一项操作的指令。
b.逐项操作令：值班调度员向运行值班员发布的操作指令是具体的逐项操作步骤和内容,要求运行值班员按照指令的操作步骤和内容逐项进行操作。
c.综合操作令：值班调度员给运行值班员发布的不涉及其他厂站配合的综合操作任务的调度指令。其具体的逐项操作步骤和内容,以及安全措施,均由运行值班员自行按规程拟订。
二、实验内容：
1、指令调度概念
（1）概念
（2）分类
2、调度指令延迟分支
三、实验过程及工件原理（实验步骤）
1.指令调度
(1)概念：是指电网调度机构值班调度员对其下级值班调度员或调度管辖厂站值班员发布有关运行和操作的指令。
(2)分类
1口头令：由值班调度员口头下达(无须填写操作票)的调度指令。
调度命令名词解释
调度命令名词解释调度（Scheduling），是指计算机系统中对于任务的安排与分派。
调度是操作系统的重要功能之一，其主要目标是优化系统资源的利用，提高系统性能和用户感知度。
在计算机系统中，调度可以分为多种类型，如进程调度、作业调度、线程调度等。
不同类型的调度侧重于不同的任务单位，但目标都是通过合理的任务分配和优先级管理以最大化系统的运行效率。
进程调度是指操作系统将系统资源（如CPU、内存、设备等）分配给不同进程的过程。
进程调度有多种算法，如先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、时间片轮转（RR）等。
这些算法根据进程的特点和需求来决定如何进行进程的选择与调度，以提供更好的系统性能。
作业调度是指对于一组作业的调度和执行顺序的安排。
作业调度主要关注的是作业的提交和完成时间，以及作业之间的依赖关系。
作业调度算法包括最早截止时间优先（EDF）、先来先服务（FCFS）等，它们通过合理分配系统资源来保证作业的顺利进行。
线程调度是指对于多线程任务的调度和分配。
线程是操作系统中最小的任务单位，线程调度的目标是平衡线程之间的资源占用和执行速度，提供更好的并发性能。
常见的线程调度算法有优先级调度、时间片轮转等，它们通过设置线程的优先级和时间片来控制线程的执行顺序和时间片分配。
除了以上几种调度方式，还有一些特殊的调度算法应用于特定领域。
例如实时调度用于对实时任务的调度，磁盘调度用于磁盘访问的优化等。
总之，调度是操作系统中的重要功能，通过合理的任务分配和优先级管理来实现系统资源的有效利用。
各种调度算法根据不同任务单位的特点和需求，选择适合的调度方式和策略，以提高系统性能和用户体验。
计算机系统结构__《张晨曦、王志英》课后习题参考答案
第1章计算机系统结构的基本概念1.1 解释下列术语层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。
虚拟机：用软件实现的机器。
翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。
解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。
系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
延迟指令是什么原理的应用
延迟指令是什么原理的应用1. 什么是延迟指令延迟指令是指在计算机程序中，将某个指令的执行延迟到程序的后续阶段或某个特定条件满足时才执行的一种方式。
也可以将其理解为一种控制流程的技术，通过延迟执行指令，可以提高程序的性能和效率。
2. 延迟指令的原理延迟指令的原理基于计算机处理器的流水线执行。
流水线是指将复杂的指令执行过程分为多个阶段，每个阶段执行不同的操作，然后通过数据传输将结果传递给下一个阶段，以实现指令的连续执行。
延迟指令的原理可以分为以下几个步骤：•步骤1：取指阶段–从指令存储器中获取下一条指令并将其存储在指令寄存器中。
•步骤2：译码阶段–根据指令寄存器中的指令，将其解码为对应的操作码和操作数。
•步骤3：执行阶段–根据操作码和操作数，执行相应的操作，生成结果。
•步骤4：访存阶段–如果指令需要读写内存数据，就在这个阶段进行。
•步骤5：写回阶段–将执行阶段中得到的结果写入相应的寄存器。
延迟指令的应用则是在步骤3和步骤4之间插入一个等待周期，延迟指令在等待周期内不进行执行，而是将其暂时存储起来，等待下一次的执行。
这样做的目的是为了处理特定的情况，例如当指令依赖于前一条指令的结果时，就需要等待前一条指令的执行结果。
3. 延迟指令的应用场景延迟指令的应用场景主要体现在以下几个方面：3.1 数据相关性数据相关性是指某条指令的执行依赖于前一条指令的结果。
在这种情况下，如果延迟执行该指令，可以避免数据相关性导致的指令重排或者冒险问题，提高程序的执行效率。
例如，在计算斐波那契数列的程序中，每一项的计算都依赖于前两项的结果，可以通过延迟执行来提高执行效率。
3.2 分支预测分支指令是指在程序中根据条件进行跳转的指令，执行分支指令通常会导致流水线的中断。
在分支指令中，如果延迟执行可以提前预测条件的结果，并在预测正确的情况下延迟执行后续指令，可以减少分支指令对流水线的中断影响，从而提高程序的执行效率。
3.3 异常处理在程序执行过程中，可能会发生各种异常情况，例如缺页中断、除法错误等。
指令调度和延迟分支实验总结
指令调度和延迟分支实验总结一、引言指令调度和延迟分支是计算机体系结构中的两个重要概念。
指令调度的目标是充分利用计算机的硬件资源，提高指令执行的效率；而延迟分支则是为了解决分支指令对程序性能的负面影响。
本文将从概念、实验设计和实验结果等方面对指令调度和延迟分支进行探讨和总结。
二、指令调度2.1 概念指令调度是指根据程序的数据依赖性和硬件资源的可利用性，对指令的执行顺序进行调整的技术。
通过优化指令的执行顺序，可以减少指令之间的依赖关系，充分利用硬件资源，实现更高效的程序执行。
2.2 实验设计为了验证指令调度对程序性能的影响，可以设计以下实验： 1. 选取一段具有明显数据依赖关系的程序作为测试样例。
2. 在不同的指令调度算法下，对程序进行编译和执行。
3. 测量程序的执行时间，并比较不同指令调度算法的性能差异。
2.3 实验结果实验结果表明，指令调度可以显著影响程序的执行性能。
通过优化指令的执行顺序，可以减少数据依赖关系，充分利用硬件资源，从而加快程序的执行速度。
同时，实验还可以得出不同指令调度算法之间性能差异的结论，为后续的优化提供指导。
三、延迟分支3.1 概念延迟分支是为了解决分支指令对程序性能的负面影响而提出的一种技术。
在传统的分支指令执行过程中，由于条件分支的判断需要等待前一条指令的执行结果，会导致流水线的阻塞，降低执行效率。
而延迟分支则是将分支指令的判断延迟到之后的指令执行阶段，从而减少流水线的阻塞，提高程序的执行效率。
3.2 实验设计为了验证延迟分支对程序性能的影响，可以设计以下实验： 1. 选取一段包含条件分支指令的程序作为测试样例。
2. 在延迟分支和非延迟分支的情况下，对程序进行编译和执行。
3. 测量程序的执行时间，并比较延迟分支和非延迟分支的性能差异。
3.3 实验结果实验结果表明，延迟分支可以显著提高程序的执行性能。
通过将分支指令的判断延迟到之后的指令执行阶段，可以减少流水线的阻塞，提高指令的并行度，从而加快程序的执行速度。
延迟分支方法的调度策略
延迟分支方法的调度策略
延迟分支方法是一种非常有效的调度策略，它可帮助系统更加高效地运行，提高系统的资源利用率。
延迟分支方法采用树形结构，通过动态划分任务，把一些不必要的任务暂时延迟，最终得到一个优化的调度方案。
实现延迟分支方法的调度策略，需要先根据作业的特点，制定任务节点的优先级排序。
然后，根据优先级开始进行任务的处理，如果遇到无法满足条件的任务，就把该任务节点暂时放到一个“延迟分支节点”中。
在后续的调度过程中，如果出现了更适合该任务节点的情况，就会重新回到正常的任务节点中进行处理。
延迟分支方法不仅可以通过对任务节点进行动态调整，提高系统的运行效率，还可以在系统进行负载均衡时，调整各个任务节点的负载，更加均衡地分配系统资源。
同时，由于其灵活性强，延迟分支方法可以适用于各种不同类型的系统和任务，能够为系统提供更好的调度策略和效果。
总之，延迟分支方法是一种非常有用的调度策略，通过动态划分任务节点，使系统能够更好地利用资源、更高效地运作。
采用这种策略，可以提高系统的性能和效率，对于各种不同类型的系统都有很好的适用性，是当前调度领域研究的热点之一。
流水线(Pipeline)介绍
ID 段 Reg EX 段 MEM 段 DM WB 段 Reg
IF 段 IM
流水线寄存器
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ALU
2.3 数据冒险
一条指令必须等到另一条指令的完成而造成 的流水线暂停的情况叫做数据冒险。形如： add $s0, $t0, $t0 sub $t2, $s0 $t3 加法指令需要到WB阶段后才写回结果，减法 指令此时才可以继续执行。在不任何干预的 情况下，流水线白白浪费了三个时钟周期。
Can’t happen in MIPS 5 stage pipeline because: - All instructions take 5 stages, and - Writes are always in stage 5
18
读后写冲突（WAR: Write After Read）
在 i 读之前，j 先写。i 读出的内容是错误的！ 这对应“反相关” ，寄存器换名技术可以消 除
转发（旁路）方式解决数据冒险
形如：add $s0, $t0, $t0 sub $t2, $s0 $t3，减法指令要等到加 法指令写回寄存器堆时才可以执行指令，浪 费了时间。转发技术：在加法指令在ALU运 算一结束就将结果送给减法指令的输入项。 这样从内部资源中直接提前得到缺少的运算 项的过程叫做转发。
实验2 循环展开及指令调度
实验报告（2010-2011 第二学期）实验课程：计算机系统结构班级：计科0802姓名：陈江华学号：200826140229成绩：实验2 循环展开及指令调度2.1 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。
2.2 实验平台实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim2.3 实验内容和步骤首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。
1. 启动MIPSsim2. 根据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，掌握各流水寄存器的含义。
（用鼠标双击各段，就可以看到各流水寄存器的内容）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 “文件”→“载入程序”选项，加载schedule.s。
（3）关闭定向功能。
这是通过“配置”→“定向”（使该项前面没有√号）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。
RAW停顿16次，自陷停顿1次；ADDIU $r1,$r0,A与LW $r2,0($r1)冲突；LW $r2,0($r1)与ADD $r4,$r0,$r2冲突；LW $r6,4($r1)与ADD $r8,$r6,$r1冲突；MUL $r12,$r10,$r1与ADD $r16,$r12,$r1冲突；ADD $r16,$r12,$r1与ADD $r18,$r16,$r1冲突；LW $r20,8($r1)与MUL $r22,$r20,$r14冲突；总时钟周期数：33.（5）采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除冲突。
简述延迟分支方法
简述延迟分支方法
延迟分支方法是一种用于优化处理器的技术，它可以提高处理器的效率和执行速度。
它可以减少节省时间，并增加处理器的效能。
延迟分支方法的核心思想是把指令系统拆分成两条新的指令流，一条是读取指令，另一条是对指令的执行。
其中读取指令是在一个新的时钟周期里完成，而执行指令程序则在下一个时钟周期里完成。
这样，一个时钟周期内可以完成两个操作，从而大大提高处理器性能。
延迟分支方法有几种不同形式，例如“流水模式”和“缓存模式”。
两种模式都使用指令缓存器来保存指令，以避免在每个时钟周期中频繁的内存访问。
此外，它们还使用了一种叫做“重排分支”的技术，来重新安排分支指令，使之能够被单个时钟周期中多次执行。
延迟分支方法可以显著提高处理器性能，但也存在一些缺点。
最大的问题就是计算机系统的程序鲁棒性可能会受到影响，因为延迟分支会改变指令的执行顺序。
同时，由于必须花费额外的时间来重新安排指令，处理器的速度也会受到影响。
总的来说，延迟分支方法是一种用于提高处理器性能的有效技术，它可以使程序以更高的速度执行，并且减少指令执行时间。
然而，它也有一定的缺点，因此在实际应用时要根据具体系统情况来进行权衡取舍。
计算机体系结构知识点汇总
第一章电脑体系结构的基本概念1.电脑系统结构的经典定义程序员所看到的电脑属性，即概念性结构与功能特性。
〔电脑组成：指电脑系统结构的逻辑实现。
电脑实现：电脑组成的物理实现〕2.电脑系统的多级层次结构：1.虚拟机：应用语言机器->高级语言机器->汇编语言机器->操作系统机器2.物理机：传统机器语言机器->微程序机器3.透明性：在电脑技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好似不存在的概念称为透明性。
4.编译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序5.解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都转去执行低一级机器上的一段等效程序。
6.常见的电脑系统结构分类法有两种：Flynn分类法、冯氏分类法〔按系统并行度P m:计算机系统在单位时间内能处理的最大二进制位数〕进行分类。
Flynn分类法把电脑系统的结构分为4类：单指令流单数据流(SISD)单指令流多数据流(SIMD)多指令流单数据流(MISD)多指令流多数据流(MIMD)IS指令流，DS数据流，CS〔控制流〕，CU〔控制部件〕，PU〔处理部件〕，MM，SM〔表示存储器〕7.电脑设计的定量原理：1.大概率事件优先原理〔分配更多资源，到达更高性能〕2.Amdahl定理：加速比：S n=T0(加速前）T n（加速后）=1(1−Fe)+Fe/Se(Fe为可改良比例〔可改良部分的执行时间/总的执行时间〕，Se为部件加速比〔改良前/改良后〕3.程序的局部性原理：时间局部性：程序即将使用的信息很可能是目前使用的信息。
空间局部性：即将用到的信息可能与目前用到的信息在空间上相邻或相近。
4.CPU性能公式：1.时钟周期时间2.CPI：CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC3.IC(程序所执行的指令条数)8.并行性：电脑系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。
同时性：两个或两个以上的事件在同一时刻发生。
实验五指令调度和延迟分支
实验5 指令调度和延迟分支一.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。
二.实验内容和步骤:(1)、启动MIPSsim。
(2)、根据前面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，掌握各流水寄存器的含义。
指令流水线有取指(IF)、译码(ID)、执行(EX)、访存(MEM)、写回寄存器堆(WB)5个过程段，共有7条指令连续输入此流水线IF段(取指)：取指令，控制器必须具备能自动地从存储器中取出指令的功能ID段（译码）：指令译码、读寄存器EX段（执行）:执行、访存有效地址字段MEM段（访存）:存储器访问WB（写回寄存器堆）:结果写回寄存器在该窗口中，每一个矩形方块代表一个流水段，它们用不同的颜色填充。
在该窗口的左侧是IF到WB段，其右边为浮点部件。
浮点部件分有浮点加法部件（fadd）、浮点乘法部件（fmul）和浮点除法部件（fdiv）三种。
在菜单“配置” “常规配置”中修改浮点部件个数，可看到该窗口中对应类型的浮点部件个数会发生相应的变化。
(3)、选择“配置”->“流水方式”选项，使模拟器工作于流水方式下。
(4)、用指令调度技术解决流水线中的数据冲突。
1）启动MIPSsim。
2）加载schedule.s。
3）关闭定向功能。
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。
调度前：RAW发生的冲突周期数：2、3、5、6、8、9、11、12、15、16、18、19、21、22、25、26由以上可知：RAW数据冲突发生了16次，其中load停顿6次，自陷停顿1次，停顿周期总数17次执行过程中各种冲突发生次数：16次程序执行的总时钟周期数：33次发生冲突的指令组合：TEQ $r0,$r0ADDIU $r1,$r0,56LW $r2,0($r1) 与上条写后读冲突；ADD $r4,$r0,$r2 与上条指令写后读冲突；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,$r1ADD $r16,$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；5)采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除冲突。
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实验5 指令调度和延迟分支
一.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。
二.实验内容和步骤:
(1)、启动MIPSsim。
(2)、根据前面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，掌握各流水寄存器的含义。
指令流水线有取指(IF)、译码(ID)、执行(EX)、访存(MEM)、写回寄存器堆(WB)5个过程段，共有7条指令连续输入此流水线
IF段(取指)：取指令，控制器必须具备能自动地从存储器中取出指令的功能
ID段（译码）：指令译码、读寄存器
EX段（执行）:执行、访存有效地址字段
MEM段（访存）:存储器访问
WB（写回寄存器堆）:结果写回寄存器
在该窗口中，每一个矩形方块代表一个流水段，它们用不同的颜色填充。
在该窗口的左侧是IF到WB段，其右边为浮点部件。
浮点部件分有浮点加法部件（fadd）、浮点乘法部件（fmul）和浮点除法部件（fdiv）三种。
在菜单“配置” “常规配置”中修改浮点部件个数，可看到该窗口中对应类型的浮点部件个数会发生相应的变化。
(3)、选择“配置”->“流水方式”选项，使模拟器工作于流水方式下。
(4)、用指令调度技术解决流水线中的数据冲突。
1）启动MIPSsim。
2）加载schedule.s。
3）关闭定向功能。
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。
调度前：
RAW发生的冲突周期数：2、3、5、6、8、9、11、12、15、16、18、19、
21、22、25、26
由以上可知：
RAW数据冲突发生了16次，其中load停顿6次，自陷停顿1次，停顿周期总数17次
执行过程中各种冲突发生次数：16次
程序执行的总时钟周期数：33次
发生冲突的指令组合：
TEQ $r0,$r0
ADDIU $r1,$r0,56
LW $r2,0($r1) 与上条写后读冲突；
ADD $r4,$r0,$r2 与上条指令写后读冲突；
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；
5)采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除冲突。
将调度后的程序存到after-schedule.s中。
6)载入after-schedule.s。
7)执行该程序。
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。
调度后：
执行总时钟周期数为19，其中RAW停顿2次、load停顿0次、自陷停顿1次。
停顿总周期占总执行周期的15.78947%。
8)根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。
论述指令调度对于提高CPU性能的作用。
根据记录结果：指令调度后时钟总周期数从33降低到19，指令调度使指令顺序重新组合，可以消除部分的数据冲突，从而通过指令调度技术显著地提高了CPU的使用率，大大减少了指令冲突的次数，提高了CPU的性能。
指令调度的优劣直接影响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。
（5）、用延迟分支减少分支指令对性能的影响。
1）启动MIPSsim。
2）载入branch.s。
3）关闭延迟分支功能。
单击“配置” “延迟槽”，使处于关闭状态即为默认状态4）执行该程序。
观察并记录发生分支延迟的时刻。
没有采用分支延迟：
答：发生分支延迟的时刻为：第18周期。
5）记录执行该程序所用的总时钟周期数。
执行周期总数为38，其中RAW停顿16次、load停顿4次、控制停顿0次、自陷停顿1次。
总停顿周期占总执行周期的50%。
6）假设延迟槽有1个，对branch.s进行指令调度，然后保存到“delayed-branch.s”中。
7）载入delayed-branch.s。
8）打开延迟分支功能。
单击“配置” “延迟槽”，使该项前有√来实现9）执行该程序。
观察其时钟周期图。
采用分支延迟：
10）记录执行该程序所用的总时钟周期数。
总时钟周期数为26。
其中RAW停顿4次、load停顿2次、自陷停顿1次。
总停顿周期占总执行周期的19.23077%。
11）对比上述两种情况下的时钟周期图。
见上图
12）根据记录结果，比较没采用延迟分支和采用了延迟分支的性能之间的不同。
论述延迟分支对于提高CPU性能的作用。
答：没采用分支延迟的时候周期总数为38，采用分支后的周期总数为26，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。
并且在使用延迟后，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。
所以只要分支延迟槽中的指令是够用的，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的！
分支延迟槽(Branch delay slot)，简单地说就是位于分支指令后面的一条指令，不管分支发生与否其总是被执行，而且位于分支延迟槽中的指令先于分支指令提交(commit)。
三.实验结果分析
实验结论：指令调度让指令顺序重新组织后能消除部分的数据冲突，指令调度的优劣直接影响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。
只要分支延迟槽中的指令时有用的，流水线中就没有停顿，这是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 性能的影响是显著的。
1.了解了什么是指令调度以及指令调度对CPU性能的影响：
指令调度：
为了减少停顿，对于无法使用定向技术解决的问题，可以通过指令调度让指令顺序重新组织后能消除部分的数据冲突，指令调度的优劣直接影响CPU性能的发挥好坏，好的指令调度可以让指令周期大幅度减少。
指令调度对CPU性能的影响：
指令调度技术减少了指令冲突的次数，提高了CPU的性能。
2.延迟分支：
位于分支指令后面的一条指令，不管分支发生与否其总是被执行，而且位于分支延迟槽中的指令先于分支指令提交。
只要分支延迟槽中的指令时有用的，流水线中就没有停顿，这是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性能的影响是显著的。
延迟分支对CPU性能的影响：
延迟分支减少分支指令能够稍微提高GPU的性能。
3.了解到执行分支指令的结果有两种：一种是分支“成功”，PC的值改变为分支转移的目标地址，另一种情况分支“不成功”，这是PC的值保持正常递增，指向顺序的下一条指令。
四.实验心得
通过本次实验锻炼了我的动手操作能力，我对指令调度和延迟分支有了进一步的了解和掌握，我学到了分支延迟调度的方法，并初步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。
我学习到了指令调度方式以及延迟分支调度方式对CPU性能的影响，就指令调度方式来，说通过使发生冲突的指令改变顺序，或者删除其中一部分指令，或者增加一部分指令，对CPU的性能影响是不一样的，使我对该章的知识有了深入的了解并且能够运用。
这对我以后的计算机组成原理的学习打下了坚实的基础，让我不断提高，增长了我的知识。
（注：文档可能无法思考全面，请浏览后下载，供参考。
可复制、编制，期待你的好评与关注）。