計算機系統(tǒng)結構實驗報告模板

1、計算機系統(tǒng)結構實驗報告班級3班實驗日期3.28實驗成績姓名王志剛學號234實驗名稱指令調(diào)度和分支延遲實驗目的、要求實驗目的： 加深對循環(huán)級并行性、指令調(diào)度技術、循環(huán)展開技術以及寄存器換名技術的理解； 熟悉用指令調(diào)度技術來解決流水線中的數(shù)據(jù)相關的方法； 了解指令調(diào)度、循環(huán)展開等技術對CPU性能的改進。實驗要求： 調(diào)度前的源代碼（只需給出關鍵代碼部分）注明各種相關的位置 調(diào)度后的源代碼注明使用的策略并加以說明 調(diào)度前的測試數(shù)據(jù) VS 調(diào)度后的測試數(shù)據(jù) 分析回答以下問題：當定向技術打開和關閉時結果是否有差異？Stall是否越少越好？實驗內(nèi)容、步驟及結果實驗內(nèi)容： 熟悉MIPSsim模擬器的操作和使用

2、方法； 學習流水線、相關和沖突的知識； 完成實驗教程中實驗內(nèi)容； 完成補充實驗； 完成實驗報告。實驗步驟：(實驗教材)實驗步驟：1、 啟動MIPSsim。2、 根據(jù)2.5節(jié)相關內(nèi)容關于流水線的描述，進一步理解流水線窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含義。3、 選擇“配置”-“流水方式”選項；4、 用指令調(diào)度解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突（1） 啟動MIPSsim；（2） 用MIPSsim的“文件”“載入程序”選項加載schedule.s；（3） 關閉定向功能，“配置”“定向”；（4） 執(zhí)行載入程序，通過查看統(tǒng)計數(shù)據(jù)與始終周期圖，找出并記錄程序執(zhí)行過程中各種沖突的次數(shù)沒發(fā)生沖突的指令組合以及程序執(zhí)行的

3、總周期數(shù)。結果：各沖突發(fā)生的次數(shù)：18次；發(fā)生沖突的指令組合：ADDIU $r1,$r0,56與LW $r2,0($r1)；（發(fā)生RAW沖突）ADDIU $r1,$r0,56與ADD $r4,$r0,$r2；（發(fā)生結構沖突）ADD $r4,$r0,$r2與SW $r4,0($r1)；（發(fā)生RAW沖突）LW $r2,0($r1)與SW $r4,0($r1)；（發(fā)生結構沖突）SW $r4,0($r1)與LW $r6,4($r1)；（發(fā)生結構沖突）LW $r6,4($r1)與ADD $r8,$r6,$r1；（發(fā)生RAW沖突）MUL $r12,$r10,$r1與ADD $r16,$r12,$r1；（發(fā)

4、生RAW沖突）ADD $r16,$r12,$r1與ADD $r18,$r16,$r1；（發(fā)生結構沖突）ADD $r18,$r16,$r1與SW $r18,16($r1)；（發(fā)生結構沖突和RAW沖突）SW $r18,16($r1)與LW $r20,8($r1)；（發(fā)生結構沖突）LW $r20,8($r1)與MUL $r22,$r20,$r14；（發(fā)生RAW沖突）MUL $r22,$r20,$r14與MUL $r24,$r26,$r14；（發(fā)生結構沖突）程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)：33（5） 采用指令調(diào)度技術對程序進行指令調(diào)度，消除沖突。將調(diào)度后的程序?qū)懭隺fer-schedule.s中。指令調(diào)度后程

5、序：ADDIU $r1,$r0,ALW $r6,4($r1)ADD $r16,$r12,$r1LW $r2,0($r1)ADD $r8,$r6,$r1LW $r20,8($r1)MUL $r12,$r10,$r1ADD $r4,$r0,$r2MUL $r22,$r20,$r14ADD $r18,$r16,$r1SW $r4,0($r1)MUL $r24,$r26,$r14SW $r18,16($r1)（6） 載入after-schedule.s；（7） 執(zhí)行該程序。觀察程序在流水線中的執(zhí)行情況，記錄程序執(zhí)行的總始終周期數(shù)。結果： （8）根據(jù)記錄結果，比較調(diào)度前與調(diào)度后的性能，論述指令調(diào)度對與提

6、高CPU性能的作用。經(jīng)過指令調(diào)度后執(zhí)行的時鐘總周期數(shù)從33降低到19，停頓周期總數(shù)從17降到了3，說明通過指令調(diào)度技術減少了指令沖突的次數(shù)，大大提高了CPU的性能。5、 用延遲分支減少分支指令對性能的影響。（1） 啟動MIPSsim。（2） 載入branch.s。（3） 關閉延遲分支功能，“配置”“延遲槽”（4） 執(zhí)行程序，觀察并記錄發(fā)生分支延遲的時刻。（5） 記錄執(zhí)行改程序所需要的總時鐘周期數(shù)。執(zhí)行周期總數(shù)：38（6） 假設延遲槽為一個，對branch.s進行指令調(diào)度，然后保存到delayed-branch.s中。指令調(diào)度后程序：ADDI $r2,$r0,1024ADD $r3,$r0,$r

7、0ADDI $r4,$r0,8loop: LW $r1,0($r2)ADDI $r1,$r1,1ADDI $r3,$r3,4SUB $r5,$r4,$r3BGTZ $r5,loopSW $r1,0($r2)ADD $r7,$r0,$r6（7） 載入delayed-branch.s。（8） 打開延遲分支功能。（9） 執(zhí)行該程序，觀察其時鐘周期圖。（10）記錄執(zhí)行該程序所用的總時鐘周期數(shù)。結果：（11）對比上訴兩種情況的時鐘周期圖；（12）根據(jù)記錄結果，比較沒采用延遲分支和采用了延遲分支的性能之間的不同，論述延遲分支對于條CPU性能的作用。答：從記錄結果來看，在使用延遲槽后，在一定程度上減少了分支

8、延遲，減少了總時鐘周期數(shù)，在一定程度上提高了CPU的性能。補充實驗步驟1： 通過配置菜單，把加法乘法除法部件的個數(shù)設置為2個，把延遲都設置為3個時鐘周期； 用MIPS語言編寫一段簡單的程序 至少包含數(shù)據(jù)相關和結構相關 包含循環(huán)次數(shù)為4的倍數(shù)的循環(huán)程序為：.textmain:ADDIU $r1,$r0,16ADDIU $r4,$r0,8loop:ADDI $r1,$r1,1MUL $r2,$r1,$r1ADDIU $r4,$r4,-1BGTZ $r4,loopTEQ $r0,$r0 運行程序。記錄程序執(zhí)行過程中各種相關發(fā)生的次數(shù)、發(fā)生相關的指令組合，以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)；。數(shù)據(jù)沖突次數(shù)：1

9、6次；結構沖突次數(shù)：9次；數(shù)據(jù)沖突組合：ADDI $r1,$r1,1與MUL $r2,$r1,$r1；ADDIU $r4,$r4,-1與BGTZ $r4,loop；結構沖突組合：ADDIU $r4,$r0,8與ADDI $r1,$r1,1；MUL $r2,$r1,$r1與ADDIU $r4,$r4,-1；（爭用同一個譯碼器）程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)：78補充實驗步驟2: 用循環(huán)展開、寄存器換名以及指令調(diào)度提高性能相關基礎知識可見教材或?qū)嶒炇謨蕴崾荆簩⒀h(huán)展開3次，將4個循環(huán)體組成的代碼代替原來的循環(huán)體，并對程序做相應的修改。然后對新的循環(huán)體進行寄存器換名和指令調(diào)度； 運行修改后的程序，記錄執(zhí)行過程中各種相關發(fā)生的次數(shù)以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)；調(diào)度前代碼：loop: ADDI $r1,$r1,1MUL $r2,$r1,$r1ADDIU $r4,$r4,-1BGTZ $r4,loop調(diào)度后代碼：loop: ADDI $r1,$r1,1ADDI $r2,$r1,1MUL $r5,$r1,$r1MUL $r6,$r2