【计算机体系结构】实验4指令调度与分支延迟_指令调度和延迟分支实验报告

实验目的

1.加深对指令调度技术的理解。
2.加深对分支延迟技术的理解。
3.熟练采用指令调度技术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。

实验平台

实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器 MIPSsim。

实验内容和步骤

1.启动 MIPSsim。

2.根据实验 3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，掌握各流水线寄存器的含义（双击各段，就可以看到各流水线寄存器中的内容）。

3.选择“配置”→“流水方式”选项，使模拟器工作在流水方式下。

4.用指令调度技术解决流水线中的结构冲突与数据冲突：

• 启动 MIPSsim。
• 用 MIPSsim 的“文件”->“载入程序”选项来加schedule.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）。
• 关闭定向功能，这是通过“配置“->”定向“选项来实现的。
• 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。
• 自己采用调度技术对程序进行指令调度，消除冲突（自己修改源程序）。将调度（修改）后的程序重新命名为 my-schedule.s。
• 载入 my-schedule.s，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。
• 比较调度前和调度后的性能，论述指令调度对提高 CPU 性能的作用。

5.用延迟分支技术减少分支指令对性能的影响：

• 在MIPSsim中载入branch.s 样例程序（模拟器目录的“样例程序”文件夹中）。
• 关闭延迟分支功能。这是通过在“配置”->“延迟槽”选项来实现的。
• 执行程序，观察并记录发生分支延迟的时刻，记录该程序执行的总时钟周期数。
• 假设延迟槽为一个，自己对 branch.s 程序进行指令调度（自己修改源程序），将调度后的程序重新命名为 my-branch.s。

6.使用 MIPS 指令实现求两个数组的点积

• 样例程序array.s，该程序的功能为实现求两个n维向量A，B的点积。
• 载入程序（array.s），观察流水线输出结果。
• 使用定向功能再次执行代码，与刚才执行结果进行比较，观察执行效率的不同。
• 采用静态调度方法重排指令序列，减少相关，优化程序，分析执行结果和效率。
• 利用分支延迟，分析流水线的性能

实验分析和总结

三个代码：

Schedule.s

代码：

.text
main:
ADDIU  $r1,$r0,A
LW     $r2,0($r1)
ADD    $r4,$r0,$r2
SW     $r4,0($r1)
LW     $r6,4($r1)
ADD    $r8,$r6,$r1
MUL    $r12,$r10,$r1
ADD    $r16,$r12,$r1
ADD    $r18,$r16,$r1
SW     $r18,16($r1)
LW     $r20,8($r1)
MUL    $r22,$r20,$r14
MUL    $r24,$r26,$r14
TEQ    $r0,$r0
.data
A: 
.word 4,6,8
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由于数据相关产生的延迟，总共需要32个周期才可以完成整个程序。
对程序进行修改：

.text
main:
ADDIU  $r1,$r0,A
MUL    $r24,$r26,$r14
LW     $r2,0($r1)
SW     $r4,0($r1)
LW     $r6,4($r1)
LW     $r20,8($r1)
ADD    $r4,$r0,$r2
ADD    $r8,$r6,$r1
MUL    $r12,$r10,$r1
ADD    $r16,$r12,$r1
MUL    $r22,$r20,$r14
ADD    $r18,$r16,$r1
SW     $r18,16($r1)
TEQ     $r0,$r0
.data
A:
.word 4,6,8
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改进过后，执行完程序需要23个周期。

Branch.s

源代码：

.text
main:
ADDI  $r2,$r0,1024    ；立即数相加
ADD   $r3,$r0,$r0     ；整数相加
ADDI  $r4,$r0,8       ；立即数相加
loop:  ；循环指令
LW    $r1,0($r2)      ；r2+0取出送到r1
ADDI  $r1,$r1,1       ；立即数相加
SW    $r1,0($r2)      ；r1取出送到r2+0
ADDI  $r3,$r3,4       ；立即数相加
SUB   $r5,$r4,$r3     ；整数相减
BGTZ  $r5,loop        ；大于5，则转移成功，否则继续进行取数循环
ADD   $r7,$r0,$r6     ；整数相加
TEQ   $r0,$r0
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第一次分支延迟是由于控制相关，第二次分支延迟是由于数据相关。程序的总周期数为37个。
改进后：
在loop循环中，SW指令没有必要多次循环执行，所以可以将SW从loop循环中取出，然后对loop循环中的其他指令进行调度执行。

.text
main:
ADDI  $r2,$r0,1024    #立即数相加，结果存入r2
ADD   $r3,$r0,$r0     #整数相加，结果存入r3
ADDI  $r4,$r0,8       #立即数相加，结果存入r4
LW    $r1,0($r2)      #从loop循环中取出，作为第一次调用，之后可不再重复调用

loop:  
ADDI  $r3,$r3,4       #立即数相加，结果存入r3
ADDI  $r1,$r1,1       #整数相加，结果存入r1
SUB   $r5,$r4,$r3     #整数相减，结果存入r5
SW    $r1,0($r2)      #取出r1，放在r2+0中
BGTZ  $r5,loop        #大于5，成功转移；否则继续进行循环。与r5相距较远，防止出现数据相关

LW    $r1,0($r2)      #开启延迟槽时可做为延迟槽
ADD   $r7,$r0,$r6     #整数相加，不必多次循环
TEQ   $r0,$r0         #自陷，程序结束
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改进后需要26个周期。

Array.s

没有加定向的执行结果：
共需要157个执行周期。
加定向后的实验结果：
执行周期总数为117个。
加定向后，程序效率提高，所需要的执行周期数变少。
修改优化：

.text main: 
ADDIU $r1,$r0,array1     #取A的地址
ADDIU $r2,$r0,array2     #取B的地址
ADDIU $r3,$r0,10         #数组容量为10，设置相乘的次数，向量内的数量为10
ADDIU $r10,$r0,0         #r10保存最终结果，初始化为0
LW $r4,0($r1)            #对应位取数，从loop循环中取出，可减少重复执行，从目标除调度，
loop: 
LW $r5,0($r2)            #取r2+0,存入到r5。
ADDI $r1,$r1,4           #地址加，变为下一个数（word）地址
ADDI $r3,$r3,-1          #计数器r3减一
MUL $r6,$r4,$r5          #取出的数相乘存放到r6
ADDI $r2,$r2,4           #地址加，变为下一个数（word）地址
ADD $r10,$r10,$r6        #存入r10
BGTZ $r3,loop            #计数器r3仍大于零则跳转，说明数组没到末尾，与r3相距较远，不会出现数据冲突

LW $r4,0($r1)            #作为延迟槽，放在BGTZ之后
TEQ $r0,$r0              #自陷，程序结束
.data 
array1: .word 0,1,2,0,1,2,3,0,1,2 
array2: .word 0,1,2,0,1,2,3,0,1,2
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不加定向：
执行周期个数为100个。
加定向：
执行周期数为90个。

实验分析和总结：

1、数据相关可以使用指令调度的方法来解决，可以有效提高效率，改进速度，减少指令执行周期的个数。
2、循环指令的优化可以使用指令调度、循环展开或者两者相结合的方式来进行改进。
3、指令优化可以先对原指令进行分析，看所紧邻的两条指令所需要的寄存器是否有冲突，可以通过有限次的指令顺序改变，来调整，防止出现数据相关。
4、分支延迟槽就是分支指令后的一条指令，可以利用这条指令提高分支指令的循环效率，但不是很明显，作为延迟槽的指令可以是循环指令中的一条指令。