前言

2023-5-19 16:29:55

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实验1 流水线及流水线中的冲突【计算机系统结构】

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解决办法：

实验2 指令调度和延迟分支

1 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解决指令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。

2 实验平台

指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim。

3 实验内容和步骤

（1）启动MIPSsim。

（2）进一步理解流水段的构成和各个流水寄存器的功能。

（3）选择“配置”下的“流水方式”，让模拟器工作于流水方式下。

（4）采用指令调度技术解决流水线中的数据冲突。步骤如下：

1)载入程序schedule.s。

2)关闭定向功能。
点击配置，取消勾选定向

3)执行载入的程序。观察时钟周期图，找出程序执行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。

4)采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除冲突，将源程序在下面列出。并将调度后的指令存到after-schedule.s中。

源程序

冲突都是RAW冲突

修改后的程序
所以指令调度把读后写分开几个周期即可

5)载入after-schedule.s。

6)执行程序，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。

7)根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。论述指令调度对提高CPU性能的作用。

调度前

调度后

可以发现
调度前：执行周期总数：33；ID段执行15条指令；RAW停顿：16
调度后：执行周期总数：21；ID段执行15条指令；RAW停顿：4

可以看出，指令调度对于CPU执行效率的明显提高。

（5）采用延迟分支减少分支指令对性能的影响。步骤如下：

1)启动MIPSsim。
2)载入branch.s。

3)关闭延迟分支功能。通过“配置”下取消“延迟槽”选项。
4)执行该程序，观察并记录发生分支延迟的时刻。

第一次分支：到loop

第二次分支：到npc

5)记录该程序执行的总时钟周期数。

6)假设延迟槽为一个，对程序进行指令调度，然后保存到delay-branch.s中。
下面只针对分支指令进行指令调度
采用从目标处调度

7)载入delay-branch.s。

8)打开延迟分支功能。
点击配置，勾选延时槽

9)执行该程序，观察时钟周期图。

第一次分支，到loop，（延时槽）

第二次分支，到npc，（延时槽）

10)记录执行该程序的总的时钟周期数。

11)对比上述两种情况下的时钟周期图。

没有采用延迟分支之前

采用了延迟分支之后

可以发现：

没有采用延迟分支之前：执行周期总数:38；ID段执行了18条指令；分支指令占比11%
采用了延迟分支之后：执行周期总数:37；ID段执行了19条指令；分支指令占比10%

12)根据记录，比较没有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CPU性能的作用。

延时分支：可以使CPU在分支的时候，只要分支延迟槽中的指令是有用的，流水线就没有出现停顿，这时延迟分支的方法能很好地消除分支延迟。

4 实验结论

指令调度：可以减少数据冲突造成的停顿

延时分支：可以使CPU在分支的时候，只要分支延迟槽中的指令是有用的，流水线就没有出现停顿，这时延迟分支的方法能很好地消除分支延迟。

5 实验心得

通过本次实验：

（1）加深了对指令调度技术的理解。
（2）加深了对延迟分支技术的理解。
（3）熟练掌握了用指令调度技术解决指令流水线中的数据冲突的方法。
（4）进一步理解了指令调度技术对CPU性能的改进。
（5）进一步理解了延迟分支技术对CPU性能的改进。

6 实验思考：

以下是一段MIPS指令序列，

I 1  loop：   add   $t1,  $s3,  $s3
I 2           add   $t1,  $t1,  $t1
I 3           add   $t1,  $t1,  $s6
I 4           lw    $t0,   0($t1)
I 5           bne   $t0,  $s5,  exit
I 6           add   $s3,  $s3,  $s4
I 7           j     loop
I 8           exit

假如在实验的五段流水线中执行上述指令序列，在数据通路中，寄存器写口和寄存器读口分别安排一个时钟周期的前、后半个周期内独立工作，请思考：
（1）哪些指令之间发生数据相关？哪些指令之间发生控制相关？
数据相关：
I1和I2和I3、I4和I5
控制相关：
I5和I6和I8

（2）如果不采用“直通”技术进行数据冲突处理，那么应该在何处、加入几条nop指令才能避免数据冲突？假定采用“直通”技术处理，是否可以完全解决数据冲突？不行的话，需要在发生数据冲突的指令前加入几条nop指令，才能使这段指令序列的执行避免数据冲突？

（3）对于第5条分支指令引起的控制冲突，假定将检测结果是否为“零”并更新PC的操作放在“访存（Mem）”执行，则分支延迟损失时间片为多少？在何处、加入几条nop指令可以消除控制冲突？若检测结果是否为“零”并更新PC的操作在“执行（EX）”执行，则分支延迟损失时间片为多少?

（4）对于第7条指令“j loop”，假定更新PC的操作在“执行（EX）”阶段执行，则流水线会被阻塞几个时钟周期？需要在何处、加入几条nop指令可以消除该控制冲突？假定更新PC的操作在“译码（ID）”阶段执行，则流水线又将被阻塞几个时钟周期？

最后

2023-5-19 18:39:27

你对我百般注视，
并不能构成万分之一的我，
却是一览无余的你。

祝大家逢考必过
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