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 $r0,$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！