大连理工大学实验报告

计算机系统结构实验

实验三指令调度和延迟分支

学院（系）：电子信息与电气工程学部 专业：计算机科学与技术 学生姓名： 班级： 学号：

大连理工大学

Dalian University of Technology

实验三指令调度和延迟分支

一、实验目的和要求

（1） （2） （3） （4） （5）

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。

二、实验步骤与操作方法

1、启动MIPSsim。

2、根据前面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。

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数据冲突。 （1）启动MIPSsim。 （2）加载schedule.s。 （3）关闭定向功能。

（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。

（5）采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除冲突。将调度后的程序存到after-schedule.s中。 （6）载入after-schedule.s。

（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。 （1）启动MIPSsim。 （2）载入branch.s。 （3）关闭延迟分支功能。

（4）执行该程序。观察并记录发生分支延迟的时刻。 （5）记录执行该程序所用的总时钟周期数。

（6）假设延迟槽有1个，对branch.s进行指令调度，然后保存到“delayed-branch.s”中。 （7）载入delayed-branch.s。 （8）打开延迟分支功能。

（9）执行该程序。观察其时钟周期图。 （10）记录执行该程序所用的总时钟周期数。 （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之间的不同。论述延迟分支对于提高CPU性能的作用。

三、实验结果与分析

1、指令调度

（1）schedule.s程序

执行所载入的schedule.s程序。统计数据和时钟周期图如下。程序总周期数为33，总停顿17次，其中RAW(先写后读)停顿16次，自陷停顿1次。

图1 schedule.s统计数据

图2 schedule.s 时钟周期图

对于指令调度进行优化。优化有三种方式：从前调度、从目标处调度和从失败处调度。在此，我们采用了从前调度和从目标处调度两种方式。对比发现，从前调度的优化效果比从目标处调度好。下图是源程序和改好的after_schedule.s程序。

图3 scheduld.s图4after_schedule.s

（2）after_schedule.s程序

执行after_schedule.s程序。统计数据和时钟周期图如下。执行周期总数是18个时钟周期，共停顿2次，其中RAW停顿1次，自陷停顿1次。

图5 after_schedule.s统计数据图

图6 after_schedule.s时钟周期图

（3）调度前后比较与分析

实验数据表明调度前总周期33条，停顿17次；调度后总周期为18，停顿2次。性能提升将近一倍。可以看出在一定条件下，指令调度对于CPU性能的提升有很大的作用。

当然这提升同运行的程序及指令调度的方法有很大的关系。对于不同的程序可以提升的最大性能是不一样的。而不同的指令调度方法对于CPU性能的提升也有很大的影响。

所以使用有效的正确的算法来进行指令调度是很有必要的，这样既能节约安排指令调度的时间，又能使CPU的性能尽可能的得到提升。

2.延迟分支

（1）branch.s程序：执行程序，发生分支延迟的时刻如图7中红线处。程序总时钟周期数

为38，其中控制停顿为2。数据统计如图8所示。

图7 branch.s时钟周期图

图8 branch.s数据统计图

（2）delayed_branch.s程序

对branch.s进行延迟分支调度，调度后程序如下所示。其中程序将SW $r1,0($r2) 设置为延迟槽指令。

图9 delayed_branch.s程序

打开延迟分支功能，执行程序。时钟周期总数为32，控制停顿为0。

图10 时钟周期图

图11 统计数据图

（3）调度前后比较与分析

实验数据表明调度前总周期38条，控制停顿2次；调度后总周期为32，停顿0次。控制停顿

已消除。可以看出在一定条件下，采用延迟分支可以提升CPU的性能。

对于不同的程序可以提升的最大性能是不一样的。不同的调度方法对于CPU性能的提升也有的影响，从前调度，从目标代码处调度，从失败处调度，对于不同的程序这几种方法提升的性能是不同的。

同时可以看到在设置延迟分支前数据冲突为16次，设置后数据冲突为12次。这是因为在使用延迟分支同时恰好相当于使用了指令调度，减少了一部分数据冲突。所以可见设置延迟分支与调度指令都可以较好地提高CPU性能。

四、讨论、建议、质疑