大連理工大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)-實(shí)驗(yàn)三

1、大連理工大學(xué) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三 指令調(diào)度和延遲分支學(xué) 院（系）： 電子信息與電氣工程學(xué)部 專 業(yè)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 生 姓 名： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 大連理工大學(xué)Dalian University of Technology實(shí)驗(yàn)三 指令調(diào)度和延遲分支一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅?）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)步驟與操作方法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

2、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。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。 （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(guò)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(guò)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)。 （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-schedule.s。 （7）執(zhí)行該程序。觀察程序在流水線中的執(zhí)行情況，

3、記錄程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)。 （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。5、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。 （4）執(zhí)行該程序。觀察并記錄發(fā)生分支延遲的時(shí)刻。 （5）記錄執(zhí)行該程序所用的總時(shí)鐘周期數(shù)。 （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）打開延遲分支功能。 （9）執(zhí)行該程序。觀察其時(shí)鐘周期圖。 （10）記錄執(zhí)行該程序所用的總時(shí)鐘周期數(shù)。 （11

4、）對(duì)比上述兩種情況下的時(shí)鐘周期圖。 （12）根據(jù)記錄結(jié)果，比較沒(méi)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。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1、指令調(diào)度（1）schedule.s程序執(zhí)行所載入的schedule.s程序。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘周期圖如下。程序總周期數(shù)為33，總停頓17次，其中RAW(先寫后讀)停頓16次，自陷停頓1次。圖1 schedule.s統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)圖2 schedule.s 時(shí)鐘周期圖對(duì)于指令調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化有三種方式：從前調(diào)度、從目標(biāo)處調(diào)度和從失敗處調(diào)度。在此，我們采用了從前調(diào)度和從目標(biāo)處調(diào)度兩種方式。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，從前調(diào)度的優(yōu)化效果比從目標(biāo)處調(diào)度好。下圖

5、是源程序和改好的after_schedule.s程序。 圖3 scheduld.s 圖4 after_schedule.s（2）after_schedule.s 程序執(zhí)行after_schedule.s程序。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘周期圖如下。執(zhí)行周期總數(shù)是18個(gè)時(shí)鐘周期，共停頓2次，其中RAW停頓1次，自陷停頓1次。圖5 after_schedule.s 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)圖圖6 after_schedule.s 時(shí)鐘周期圖（3）調(diào)度前后比較與分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明調(diào)度前總周期33條，停頓17次；調(diào)度后總周期為18，停頓2次。性能提升將近一倍?？梢钥闯鲈谝欢l件下，指令調(diào)度對(duì)于CPU性能的提升有很大的作用。當(dāng)然這提升

6、同運(yùn)行的程序及指令調(diào)度的方法有很大的關(guān)系。對(duì)于不同的程序可以提升的最大性能是不一樣的。而不同的指令調(diào)度方法對(duì)于CPU性能的提升也有很大的影響。所以使用有效的正確的算法來(lái)進(jìn)行指令調(diào)度是很有必要的，這樣既能節(jié)約安排指令調(diào)度的時(shí)間，又能使CPU的性能盡可能的得到提升。2. 延遲分支（1）branch.s程序：執(zhí)行程序，發(fā)生分支延遲的時(shí)刻如圖7中紅線處。程序總時(shí)鐘周期數(shù)為38，其中控制停頓為2。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖8所示。圖7 branch.s 時(shí)鐘周期圖圖8 branch.s 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖（2）delayed_branch.s程序?qū)ranch.s進(jìn)行延遲分支調(diào)度，調(diào)度后程序如下所示。其中程序?qū)W $r1,

7、0($r2) 設(shè)置為延遲槽指令。圖9 delayed_branch.s程序打開延遲分支功能，執(zhí)行程序。時(shí)鐘周期總數(shù)為32，控制停頓為0。圖10 時(shí)鐘周期圖圖11 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)圖（3）調(diào)度前后比較與分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明調(diào)度前總周期38條，控制停頓2次；調(diào)度后總周期為32，停頓0次?？刂仆ｎD已消除。可以看出在一定條件下，采用延遲分支可以提升CPU的性能。對(duì)于不同的程序可以提升的最大性能是不一樣的。不同的調(diào)度方法對(duì)于CPU性能的提升也有的影響，從前調(diào)度，從目標(biāo)代碼處調(diào)度，從失敗處調(diào)度，對(duì)于不同的程序這幾種方法提升的性能是不同的。同時(shí)可以看到在設(shè)置延遲分支前數(shù)據(jù)沖突為16次，設(shè)置后數(shù)據(jù)沖突為12次。這是因?yàn)樵谑褂醚舆t分支同時(shí)恰好相當(dāng)于使用了指令調(diào)度，減少了一部分?jǐn)?shù)據(jù)沖突。所以可見設(shè)置延遲分支與調(diào)度指令都可以較好地提高CPU性能。四、討論、建議、質(zhì)疑內(nèi)容總結(jié)（1）（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（2）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)（3）可以看出在一定條件下，指令