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 $r0,$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