实验三: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来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
首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。见文档《MIPSsim使用手册》。

1. 启动MIPSsim。
2. 根据2.5节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（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。

 执行周期总数：33RAW停顿：16    占周期总数的百分比：48.48485%其中：load停顿：6    占所有RAW停顿的百分比：37.5%自陷停顿：1    占周期总数的百分比：3.030303%停顿周期总数：17    占周期总数的百分比：51.51515%

发生冲突的指令组合：

ADDIU $r1,$r0,56，LW $r2,0($r1)
LW $r2,0($r1) ，ADD $r4,$r0,$r2
ADD $r4,$r0,$r2 ，SW $r4,0($r1)
SW $r4,0($r1) ，LW $r6,4($r1)
LW $r6,4($r1)，ADD $r8,$r6,$r1
MUL $r12,$r10,$r1，ADD $r16,$r12,$r1
ADD $r16,$r12,$r1 ，ADD $r18,$r16,$r1
ADD $r18,$r16,$r1 ， SW $r18,16($r1)
LW$r20,8($r1)，MUL $r22,$r20,$r14
MUL $r22,$r20,$r14 ， MUL $r24,$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。

.text
main:
ADDIU $r1,$r0,A
MUL $r22, $r20, $r14
LW  $r2,0($r1)
MUL $r24, $r26, $r14
ADD $r4,$r0, $r2
LW  $r6,4($r1)
SW  $r4,0($r1)
ADD $r8,$r6,$r1
MUL $r12,$r10,$r1
ADD $r18,$r16,$r1
ADD $r16,$r12,$r1
SW $r18,16($r1)
LW $r20,8($r1)
TEQ $r0,$r0
.data
A: 
.word 4,6,8

（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；

执行周期总数：21ID段执行了15条指令硬件配置：内存容量：4096 B加法器个数：1    执行时间（周期数）：6乘法器个数：1    执行时间（周期数）7    除法器个数：1    执行时间（周期数）10    定向机制：不采用停顿（周期数）：RAW停顿：4    占周期总数的百分比：19.04762%其中：load停顿：1    占所有RAW停顿的百分比：25%浮点停顿：0    占所有RAW停顿的百分比：0%WAW停顿：0    占周期总数的百分比：0%结构停顿：0    占周期总数的百分比：0%控制停顿：0    占周期总数的百分比：0%自陷停顿：1    占周期总数的百分比：4.761905%停顿周期总数：5    占周期总数的百分比：23.80952%

（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。

指令调度可以消除部分的数据冲突，提高了CPU的使用率，减少了指令冲突的次数，提高了CPU性能，性能提高为调度前的33/21=1.57倍。

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

分支延迟发生的时刻：6、9、13、21、24、28

（5）记录执行该程序所花的总时钟周期数。

执行周期总数：38

（6）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。

.text
main:
ADDI $r2,$r0,1024
ADD $r3,$r0, $r0
ADDI $r4, $r0,8
loop:
LW $r1,0($r2)
ADDI $r3, $r3,4
ADDI $r1, $r1,1
SUB $r5,$r4, $r3
SW $r1,0($r2)
BGTZ $r5,loop
ADD $r7, $r0, $r6
TEQ $r0, $r0

（7）载入delayed-branch.asm。
（8）打开延迟分支功能。
（9）执行该程序，观察其时钟周期图。
（10）记录执行该程序所花的总时钟周期数。

执行周期总数：26

（11）对比上述两种情况下的时钟周期图。
（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。论述延迟分支对于提高CPU性能的作用。

通过比较两者时钟周期数，可得：在使用延迟槽后，时钟周期数比没有使用延迟槽情况耗费得少。指令在运行到BGEZAL跳转指令时很可能不会出现延迟等待，能够在一定程度上提高CPU的性能。