1、实验 3 指令调度和延迟分支3.1 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。3.2 实验平台指令级和流水线操作级模拟器 MIPSsim。3.3 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.
2、s。2) 关闭定向功能。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。时钟周期图如下：由以上知：RAW 数据冲突发生了 16 次，其中 load 停顿 6 次，自陷停顿 1 次。发生冲突的指令组合： ADDIU $r1,$r0,ALW $r2,0($r1)与上条写后读冲突；ADD $r4,$r0,$r2SW $r4,0($r1)与上条指令写后读冲突；LW $r6,4($r1)ADD $r8,$r6,$r1 与上条指令写后读冲突；MUL $r12,$r10,$r1ADD $r16,$r12,$r1 与上条指令写后读冲突；AD
3、D $r18,$r16,$r1 与上条指令组件冲突SW $r18,16($r1) 与上条指令写后读冲突；LW $r20,8($r1)MUL $r22,$r20,$r14 与上条指令写后读冲突；程序执行的总时钟周期数为 33。4) 采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除冲突。将调度后的指令存到 after-schedule.s 中。答：after-schedule.s 指令代码如下：.textmain:ADDIU $r1,$r0,AMUL $r22,$r20,$r14LW $r2,0($r1)MUL $r24,$r26,$r14ADD $r4,$r0,$r2LW $r6,4($r1)SW $r
4、4,0($r1)ADD $r8,$r6,$r1MUL $r12,$r10,$r1ADD $r18,$r16,$r1ADD $r16,$r12,$r1SW $r18,16($r1)LW $r20,8($r1)TEQ $r0,$r0.dataA: .word 4,6,85) 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。则程序执行的总时钟周期数为 21。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。时钟周期图：调度前的执行周期为 33，调度后的执行周期数为 21。指令调度让指令顺序重新组织顺
5、序可以消除部分的数据冲突，指令调度影响 CPU 性能，通过使用指令调度提高了CPU 的使用率，大大减少了指令冲突的次数，提高了 CPU 性能。（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。答：分支延迟的时刻为第 13 个周期。5) 记录该程序执行的总时钟周期数。程序执行的总时钟周期数为 38。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。delay-branch.s 的指令代码：.
6、textmain:ADDI $r2,$r0,1024ADD $r3,$r0,$r0ADDI $r4,$r0,8loop: LW $r1,0($r2)ADDI $r1,$r1,1ADDI $r3,$r3,4SUB $r5,$r4,$r3SW $r1,0($r2)BGTZ $r5,loopADD $r7,$r0,$r6TEQ $r0,$r07) 载入 delay-branch.s。8) 打开延迟分支功能。9) 执行该程序，观察时钟周期图。时钟周期图：10) 记录执行该程序的总的时钟周期数。程序的总的时钟周期数为 31。11) 对比上述两种情况下的时钟周期图。12) 根据记录，比较没有采用延迟分支和
7、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。答：比较两种情况的时钟周期总数，可知：在使用延迟槽后，指令在运行到跳转指令时，不会出现延迟等待，则能够提高 CPU 的性能。3.4 实验结论和实验心得实验结论：从前调度，在任何情况下，被调度的指令必须与分支无关。从目标处调度，当分支成功时，必须保证在分支失败时执行被调度的指令不会导致错误，有可能需要复制指令。延迟可以提高 CPU 的性能。实验心得体会：通过本次实验，我对指令调度和延迟分支有了进一步的了解和掌握，并掌握了用指令调度技术解决指令流水线中的数据冲突问题的方法。理解了指令调度技术和延迟分支技术对 CPU 性能的改进。这对我以后的计算机系统结构的学习打下了坚实的基础，让我不断提高，增长了我的知识。
