实验3 指令调度和延迟分支

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。

程序执行的总时钟周期数为38。

6)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

7)载入delay-branch.s。

8)打开延迟分支功能。

9)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。