實(shí)驗(yàn)五 指令調(diào)度和延遲分支

1、實(shí)驗(yàn)5 指令調(diào)度和延遲分支一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）加深對(duì)指令調(diào)度技術(shù)的理解。（2）加深對(duì)延遲分支技術(shù)的理解。（3）熟練掌握用指令調(diào)度技術(shù)解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突的方法。（4）進(jìn)一步理解指令調(diào)度技術(shù)對(duì)CPU性能的改進(jìn)。（5）進(jìn)一步理解延遲分支技術(shù)對(duì)CPU性能的改進(jìn)。二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟:(1)、啟動(dòng)MIPSsim。(2) 、根據(jù)前面的相關(guān)知識(shí)中關(guān)于流水線各段操作的描述，進(jìn)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。指令流水線有取指(IF)、譯碼(ID)、執(zhí)行(EX)、訪存(MEM)、寫回寄存器堆(WB)5個(gè)過程段，共有7條指令連續(xù)輸入此流水線IF段(取指)：取指令，控制器必須具備能自動(dòng)地從存儲(chǔ)

2、器中取出指令的功能ID段（譯碼）：指令譯碼、讀寄存器EX段（執(zhí)行）:執(zhí)行、訪存有效地址字段MEM段（訪存）:存儲(chǔ)器訪問WB（寫回寄存器堆）:結(jié)果寫回寄存器在該窗口中，每一個(gè)矩形方塊代表一個(gè)流水段，它們用不同的顏色填充。在該窗口的左側(cè)是IF到WB段，其右邊為浮點(diǎn)部件。浮點(diǎn)部件分有浮點(diǎn)加法部件（fadd）、浮點(diǎn)乘法部件（fmul）和浮點(diǎn)除法部件（fdiv）三種。在菜單“配置”“常規(guī)配置”中修改浮點(diǎn)部件個(gè)數(shù)，可看到該窗口中對(duì)應(yīng)類型的浮點(diǎn)部件個(gè)數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。(3) 、選擇“配置”-“流水方式”選項(xiàng)，使模擬器工作于流水方式下。(4)、用指令調(diào)度技術(shù)解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突。 1）啟動(dòng)MIPSsim。

3、 2）加載schedule.s。 3）關(guān)閉定向功能。4） 執(zhí)行所載入的程序。通過查看統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘周期圖，找出并記錄程序執(zhí)行過程中各種沖突發(fā)生的次數(shù)、發(fā)生沖突的指令組合以及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)。調(diào)度前：RAW發(fā)生的沖突周期數(shù)：2、3、5、6、8、9、11、12、15、16、18、19、21、22、25、26由以上可知：RAW數(shù)據(jù)沖突發(fā)生了16次，其中l(wèi)oad停頓6次，自陷停頓1次，停頓周期總數(shù)17次執(zhí)行過程中各種沖突發(fā)生次數(shù)：16次程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)：33次發(fā)生沖突的指令組合：TEQ $r0,$r0ADDIU $r1,$r0,56 LW $r2,0($r1) 與上條寫后讀沖突；ADD $

4、r4,$r0,$r2 與上條指令寫后讀沖突；SW $r4,0($r1） 與上條指令寫后讀沖突；LW $r6,4($r1) ADD $r8,$r6,$r1 與上條指令寫后讀沖突； MUL $r12,$r10,$r1 ADD $r16,$r12,$r1 與上條指令寫后讀沖突； ADD $r18,$r16,$r1 與上條指令組件沖突 SW $r18,16($r1) 與上條指令寫后讀沖突； LW $r20,8($r1) MUL $r22,$r20,$r14與上條指令寫后讀沖突； 5)采用指令調(diào)度技術(shù)對(duì)程序進(jìn)行指令調(diào)度，消除沖突。將調(diào)度后的程序存到after-schedule.s中。 6)載入after

5、-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)行的總時(shí)鐘周期數(shù)。調(diào)度后：執(zhí)行總時(shí)鐘周期數(shù)為19，其中RAW停頓2次、load停頓0次、自陷停頓1次。停頓總周期占總執(zhí)行周期的15.78947%。 8)根據(jù)記錄結(jié)果，比較調(diào)度前和調(diào)度后的性能。論述指令調(diào)度對(duì)于提高CPU性能的作用。 根據(jù)記錄結(jié)果：指令調(diào)度后時(shí)鐘總周期數(shù)從33降低到19，指令調(diào)度使指令順序重新組合，可以消除部分的數(shù)據(jù)沖突，從而通過指令調(diào)度技術(shù)顯著地提高了CPU的使用率，大大減少了指令沖突的次數(shù)，提高了CPU的性能。指令調(diào)度的優(yōu)劣直接影響CPU性能的發(fā)揮好壞，好的指令調(diào)度可以讓停頓周期大幅度減少。（5

6、）、用延遲分支減少分支指令對(duì)性能的影響。1）啟動(dòng)MIPSsim。2） 載入branch.s。3） 關(guān)閉延遲分支功能。單擊“配置”“延遲槽”，使處于關(guān)閉狀態(tài) 即為默認(rèn)狀態(tài)4） 執(zhí)行該程序。觀察并記錄發(fā)生分支延遲的時(shí)刻。沒有采用分支延遲：答：發(fā)生分支延遲的時(shí)刻為：第18周期。5） 記錄執(zhí)行該程序所用的總時(shí)鐘周期數(shù)。執(zhí)行周期總數(shù)為38，其中RAW停頓16次、load停頓4次、控制停頓0次、自陷停頓1次?？偼ｎD周期占總執(zhí)行周期的50%。6） 假設(shè)延遲槽有1個(gè)，對(duì)branch.s進(jìn)行指令調(diào)度，然后保存到“delayed-branch.s”中。7） 載入delayed-branch.s。 8） 打開延遲分

7、支功能。單擊“配置”“延遲槽”，使該項(xiàng)前有來(lái)實(shí)現(xiàn)9） 執(zhí)行該程序。觀察其時(shí)鐘周期圖。采用分支延遲：10） 記錄執(zhí)行該程序所用的總時(shí)鐘周期數(shù)。總時(shí)鐘周期數(shù)為26。其中RAW停頓4次、load停頓2次、自陷停頓1次?？偼ｎD周期占總執(zhí)行周期的19.23077%。 11） 對(duì)比上述兩種情況下的時(shí)鐘周期圖。 見上圖12） 根據(jù)記錄結(jié)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(duì)于提高CPU性能的作用。答：沒采用分支延遲的時(shí)候周期總數(shù)為38，采用分支后的周期總數(shù)為26，可知，在使用延遲槽后，指令在運(yùn)行到跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)延遲等待，則能夠提高CPU的性能。并且在使用延遲后，指令在運(yùn)

8、行到跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)延遲等待，則能夠提高CPU的性能。所以只要分支延遲槽中的指令是夠用的，流水線中就沒有停頓，這時(shí)延遲分支的方法就能很好的減少分支延遲。所以放入延遲槽中的指令是很重要的，對(duì)CPU性能的影響是很顯著的！ 分支延遲槽 (Branch delay slot)，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是位于分支指令后面的一條指令，不管分支發(fā)生與否其總是被執(zhí)行，而且位于分支延遲槽中的指令先于分支指令提交 (commit)。3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：指令調(diào)度讓指令順序重新組織后能消除部分的數(shù)據(jù)沖突，指令調(diào)度的優(yōu)劣直接影響CPU性能的發(fā)揮好壞，好的指令調(diào)度可以讓停頓周期大幅度減少。只要分支延遲槽中的指令時(shí)有用的，

9、流水線中就沒有停頓，這是延遲分支的方法就能很好的減少分支延遲，所以放入延遲槽中的指令是很重要的，對(duì)CPU性能的影響是顯著的。1.了解了什么是指令調(diào)度以及指令調(diào)度對(duì)CPU性能的影響：指令調(diào)度：為了減少停頓，對(duì)于無(wú)法使用定向技術(shù)解決的問題，可以通過指令調(diào)度讓指令順序重新組織后能消除部分的數(shù)據(jù)沖突，指令調(diào)度的優(yōu)劣直接影響CPU性能的發(fā)揮好壞，好的指令調(diào)度可以讓指令周期大幅度減少。指令調(diào)度對(duì)CPU性能的影響：指令調(diào)度技術(shù)減少了指令沖突的次數(shù)，提高了CPU的性能。2.延遲分支：位于分支指令后面的一條指令，不管分支發(fā)生與否其總是被執(zhí)行，而且位于分支延遲槽中的指令先于分支指令提交。只要分支延遲槽中的指令時(shí)有

10、用的，流水線中就沒有停頓，這是延遲分支的方法就能很好的減少分支延遲，所以放入延遲槽中的指令是很重要的，對(duì)CPU性能的影響是顯著的。延遲分支對(duì)CPU性能的影響： 延遲分支減少分支指令能夠稍微提高GPU的性能。3.了解到執(zhí)行分支指令的結(jié)果有兩種：一種是分支“成功”，PC的值改變?yōu)榉种мD(zhuǎn)移的目標(biāo)地址，另一種情況分支“不成功”，這是PC的值保持正常遞增，指向順序的下一條指令。四.實(shí)驗(yàn)心得通過本次實(shí)驗(yàn)鍛煉了我的動(dòng)手操作能力，我對(duì)指令調(diào)度和延遲分支有了進(jìn)一步的了解和掌握，我學(xué)到了分支延遲調(diào)度的方法，并初步掌握了用指令調(diào)度技術(shù)解決指令流水線中的數(shù)據(jù)沖突問題的方法。理解了指令調(diào)度技術(shù)和延遲分支技術(shù)對(duì)CPU性能的改