计算机体系结构实验三指令调度和延迟分支

3.1 实验目的

加深对指令调度技术的理解。
加深对延迟分支技术的理解。
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。
进一步理解指令调度技术对CPU性能的改进。
进一步理解延迟分支技术对CPU性能的改进。

3.2 实验平台

实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim。

3.3 实验内容和步骤

首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。详见附录B。

1.启动MIPSsim。

2.根据教材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（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，使模拟器工作于流水方式下。

4.用指令调度技术解决流水线中的结构冲突与数据冲突。

1）启动MIPSsim。

2）用MIPSsim的“文件”→“载入程序”选项来加载schedule.asm（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）。

3）关闭定向功能。这是通过在“配置”菜单中关闭“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。

第1对指令组合LW$r2,0($r1)ADD$r4,$r0,$r2第2对指令冲突ADD$r4,$r0,$r2SW$r4,0($r1)第3对指令冲突SW$r4,0($r1)LW$r6,4($r1)第4对指令冲突ADD$r8,$r6,$r1MUL$r12,$r10,$r1第5对指令冲突ADD$r16,$r12,$r1ADD$r18,$r16,$r1第6对指令冲突ADD$r18,$r16,$r1SW$r18,16($r1)第7对指令冲突SW$r18,16($r1)LW$r20,8($r1)第8对指令冲突MUL$r22,$r20,$r14MUL$r24,$r26,$r14

（5）采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除冲突。将调度后的程序保持到after-schedule.asm中。

（6）载入after-schedule.asm。

（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；

（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。

5.用延迟分支减少分支指令对性能的影响。

启动MIPSsim。
载入branch.asm。
关闭延迟分支功能。这是通过在“配置”→“延迟槽”选项来实现的。
执行该程序。观察并记录发生分支延迟的时刻。

由下图可知，6913212428。

记录执行该程序所花的总时钟周期数。

假设延迟槽为一个，对branch.asm进行指令调度，然后保存到“delayed-branch.asm”中。

载入delayed-branch.asm。
打开延迟分支功能。
执行该程序，观察其时钟周期图。

记录执行该程序所花的总时钟周期数。

对比上述两种情况下的时钟周期图。
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。论述延迟分支对于提高CPU性能的作用。

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