試驗(yàn)五指令調(diào)度和延遲分支

1、實(shí)驗(yàn)5指令調(diào)度和延遲分支一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?D加深對(duì)指令調(diào)度技術(shù)的理解。(2)加深對(duì)延遲分支技術(shù)的理解。(3)熟練掌握用指令調(diào)度技術(shù)解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突的方法。(4)進(jìn)一步理解指令調(diào)度技術(shù)對(duì) CPU性能的改進(jìn)。(5)進(jìn)一步理解延遲分支技術(shù)對(duì) CPU性能的改進(jìn)。二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟:(1)、啟動(dòng) MIPSsim 。r MJPSiE雷.他7H 3監(jiān)二年 3二怔名椽l=壯整式m期恬杞寺京除2。團(tuán)gNAntlrJ.ILjntin-ir.dll110 KB而抻點(diǎn)1TM20QS 取 2122.S0國 JnpMMdl2-9 MOn2M!r2010-01-35 1623邑 HypferBoajdll3.S.D KB

2、應(yīng)見坦k.鼻2DM-1110 1730raftdP&EiniLeMBilD KB2010-01- 7 19S5cut LtEibir1 KB7BL3 KBBIN 文F2DL5-09-07 10;3 M同 1 SimulatodJibiCxcmm eTh10-41-1? 19 35,網(wǎng) IL224.0 B而用辭導(dǎo)3010 孫門1935大小；7&L6 “流水方式”選項(xiàng)，使模擬器工作于流水方式下fi-TFiri am， fcir*3l *,，VLYffirt 1 Am lamMEraE： CQEDCUIKEDKMM0C0L* hJEEl!： aMiuK：mg：IL 翊 網(wǎng)I睥MiOH hiMKLMC

3、 畫4的i建 bM怙詡*ME 12現(xiàn)X貼pjJZCiSMrMt h mm取 F piriip-iTS同El的*8DlaD；l 33 口工如膽 msi。川 M ftiLisfrjiH 加，眸H W &i：eiil JOifaiQH -M 加81位彳n 01O5IM4M 旭 Fl/W M DlOSIMfMI* a+ -llr* 二 i -*?,工 A 1 一 一二工一1 tinHn?lH?LUT!”3L”:=L幾naSTIy. Ik二.PIE： *14春 !： F. 口 *r： ER II： - 口 It： !?：.& *E. E/ E： Q.O it;4e： 4H.0 F時(shí)一出M 4!： Irj

4、i ?! !) 1十 r i? CilaMimLI1soaic&M iaaiMiBD：993b3I0M9MaiimI*drRnrl* t 3a MtlF， ,VffT?a 朝WFttr I i W-1*!ffl 里JFC| r UBHUOm（4）、用指令調(diào)度技術(shù)解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突。1）啟動(dòng) MIPSsim 。BlJIB M?p- IfU- -rrn.*（tR.，上：日*- 4XwKisi昂 AB-tls- 5. Rm rrfr m * rJjil 呈 仁D。411fliI I , U J I： 丁 H 口二0 lr.Ky i i 11i-hI - 11 二 Cfrl _=.五- 口。共口餐

5、。ll111 OKIJ!4 1 .25k reEB HI AJT-叁3 15GO冉KB殺事4KB/ wr-r/a11,安。工口5-5.eKU1o 21 1 ?力“3*小4icjb tt il 力=i- 個(gè) Wg -* ci.a* T*B姓，H 1 le_o kq cL 干聲:2）力口載 schedule.s。3）關(guān)閉定向功能七婉計(jì)3行周明總數(shù)：0 工口段也行了口條指令退件斑舌：內(nèi)存苔里：4O9& B加法署個(gè)數(shù)：1乘法器個(gè)效：1除法香個(gè)數(shù)：1走向機(jī)制不愛南一|帆行時(shí)間f周期數(shù)）：e 執(zhí)行時(shí)間（周期數(shù)）T 執(zhí)行時(shí)間（周期弒）1。僖頓（周期數(shù)）2 HJ卅停頓：0 其中：lo鼠僖頓：0浮點(diǎn)面貢！ 0W

6、知信蜘占周期總裁的百分比：占所有RAW信頓由百分比t籃 占所有RAW信頓的百分比二呼 占周期總數(shù)的百分比：0%4）執(zhí)行所載入的程序。通過查看統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘周期圖，找出并記錄程序執(zhí)行過程中各種沖突發(fā)生的次數(shù)、 發(fā)生沖突的指令組合以及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)。調(diào)度前:RAW發(fā)生的沖突周期數(shù):2、3、5、6、8、9、11、12、15、16、18、19、 21、 22、 25、 26f.STILLir- N- - 1m門4LLHI?111!11f笳周期里救：I山鼬行春指金硬件如者：向存客重. 4098 E加法器個(gè)數(shù)：1 戴法器個(gè)數(shù)：1除法器個(gè)數(shù)二L 定向機(jī)制：不采用機(jī)行時(shí)閭（閶期數(shù)）：6 凱越寸間（周期

7、數(shù)）7 執(zhí)行H聞（圄期數(shù)）ior-伊國門網(wǎng)暗頓；1占周明總額的百分比：33,33333%lo鼠僖領(lǐng)：0浮點(diǎn)停頓:0W川停頓：0占斯有KA洲信頓的百分比：。第 占斫有RAW信贛的百分比：m占周盟總數(shù)的百分比；颼叱統(tǒng)計(jì)工總:游i周期總數(shù)：丁I二D段執(zhí)行了 案指公醒件密置:內(nèi)存窖里：4096 B 加注器個(gè)頰;1 垂法器個(gè)數(shù)二1 除法署個(gè)數(shù)：1 定向機(jī)制；不采用執(zhí)行時(shí)間周翻數(shù)）: 6就行時(shí)同（周期數(shù)1 T執(zhí)行時(shí)閶（周期數(shù)）10倬頓三期激:暗頓：2工0具停頓;0一點(diǎn)AG： 0胃店停頓：0占周期總數(shù)的百分比二50必占所有RkN停頓的百分比士 0%占斯有RO幽觸百分比：0%占周期總數(shù)闞百分比二噴勺-T .瓜

8、后闊期坦帆了口段撥行了 15滎指名占周期總數(shù)的百分比二蛇-4趙宏義占所有班“停頓的百分比；牙.5% 占所有EM僖頓的百分比：口給占周期總數(shù)的百分比：0% 占周期總裁的百分比；吸 占周期總數(shù)的百分比：皿占周期總數(shù)的百分比：3.030303占周期總數(shù)的百分比二51.51515硬件新意：內(nèi)存答里：加96 B加法器個(gè)激：1乘法器個(gè)購：1除法器個(gè)數(shù)：1 定向機(jī)制：不采用即工期副）； 型停頓： 苧中；| ； 口虱停頓；& | 淳直得頓：0HAW僖頓：0結(jié)構(gòu)停賴：0控制停頓：0白僖4t L|停頓周期總數(shù):G執(zhí)行時(shí)間（.周期數(shù)）：& 執(zhí)行時(shí)間（周期數(shù)）1 凱徐寸間（周期數(shù)）10分支指令： 指專渠都0 其中：分

9、支成功：0 分支失敗：UI焉梟教；s i,可 load； 3store： Z占指舍總數(shù)的百分比士 0%占分支指令數(shù)的百分比：四占分支指號(hào)數(shù)的百分比；口國占指令總數(shù)的百分比；33.33333海占1皿（1/51”+指令勤的百分比；&口居占指令裁的百分比：40用由以上可知:RAW數(shù)據(jù)沖突發(fā)生了 16次，其中l(wèi)oad停電6次，自陷停頓1次，停頓周期總數(shù)17次執(zhí)行過程中各種沖突發(fā)生次數(shù)：16次程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)：33次F廠 J時(shí)神周割歸 =nr EFT3xs.tr UK? t i axiii.ZT白守1口工* 4 沂 1、時(shí)F1省口口穿牛，多匚口，匚*THEZMEMYTH5Vb1、STALLSTAL

10、X1UIFSTAJ-Ln發(fā)生沖突的指令組合:TEQ $r0,$r0ADDIU $r1,$r0,56LW $r2,0($r1)與上條寫后讀沖突；ADD $r4,$r0,$r2 與上條指令寫后讀沖突；SW $r4,0($r1 )與上條指令寫后讀沖突；LW $r6,4($r1)ADD $r8,$r6,$r1與上條指令寫后讀沖突；MUL $r12,$r10,$r1ADD $r16,$r12,$r1與上條指令寫后讀沖突；ADD $r18,$r16,$r1與上條指令組件沖突SW $r18,16($r1)與上條指令寫后讀沖突；LW $r20,8($r1)MUL $r22,$r20,$r14 與上條指令寫后讀

11、沖突；5)采用指令調(diào)度技術(shù)對(duì)程序進(jìn)行指令調(diào)度，消除沖突。將調(diào)度后的程序存至U after-schedule.s中。I fter-sch edule.s -記事本文件(F) i(E)歸：(口BWCVJ 幫助 M),textmain:ADDIUSrlJrO.AMULSr244r264rl4LWSr2P0($rl)LWSr20t8(Srl)MULSrl24rlO,SrlADDSr4r $rOT $t2LWSr6r4($rl)ADDSrl6,$rl2,$rlMUL$r22,$r20,$tl4SWSr4,0($rl)ADDSrl8,$rl6,$rlADDSr8,$t6,$rlSWSrl8,16($rl)

12、TEQ $rO,$rO.dataA：.word 4,5,86)載入 after-schedule.s 。7）執(zhí)行該程序。觀察程序在流水線中的執(zhí)行情況，記錄程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)。調(diào)度后:丁中:而行周期總機(jī)771工D版執(zhí)行了 15條揩令硬件甑置：內(nèi)存咨置:4096 B 加法器個(gè)麴：1 乖法器個(gè)數(shù)：1 除法署個(gè)數(shù)：I 定向機(jī)制：不采用h.周期和 網(wǎng)嗝牡2 其中1。鼠停頓；0浮點(diǎn)后花：口廿榔停頓：0結(jié)構(gòu)停頓;0控制僖頓;0目一停頓二I執(zhí)行時(shí)閭（周期數(shù)）：6 執(zhí)行時(shí)間（圄期數(shù)）T 執(zhí)行時(shí)間（周期數(shù)）1。占周期總數(shù)的百分比：1口5263裳占所有RAW僖頓由百分比：解 占所有股叼?頓由百分比二M 占周期總

13、數(shù)的百分比：3 占周期總額的百分比；口國 占周期總數(shù)的百分比；四 占周期總數(shù)的百分比：工加品弓招百分比：歸7的47也執(zhí)行總時(shí)鐘周期數(shù)為19,其中RAW停頓2次、10ad停頓0次、自陷停頓1次。停頓總周期占總執(zhí)行周期的15.78947%UUUDC KiUCjll*MUR JiljMK 4 -0島“ Lr $( L SjLI “ 小必另命打 KLftl：市11口1 MB HHL lr竄 F l!k lEliti | IcH.lrEE-.Srll x bzi iizz irm fi 總4 fclZt.trH.trIIMl3V trlHh |中和) E 2電工E3 mi 物t J.c8）根據(jù)記錄結(jié)果，

14、比較調(diào)度前和調(diào)度后的性能。論述指令調(diào)度對(duì)于提高CPU性能的作用根據(jù)記錄結(jié)果：指令調(diào)度后時(shí)鐘總周期數(shù)從 33降低到19,指令調(diào)度使指令順序重新組合，可以消除部分的數(shù)據(jù)沖突，從而通過指令調(diào)度技術(shù)顯著地提高了 CPU的使用率，大大減少了指令沖突的次數(shù)，提高了 CPU的性能。指令調(diào)度的優(yōu)劣直接影響CPU性能的發(fā)揮好壞，好的指令調(diào)度可以讓停頓周期大幅度減少(5)、用延遲分支減少分支指令對(duì)性能的影響。1）啟動(dòng) MIPSsim 。2）載入 branch.s。吟打尸 MIPSsim，M1P幺入一器樣我理手堂吉蘆鹿三二即為默認(rèn)狀態(tài)；就行周HR0觸士I工口根1A行?。條指令修件即武士內(nèi)存書里二4096 B加法案t

15、數(shù)；1 質(zhì)主器個(gè)數(shù)工1 除去需個(gè)翻：i 定向機(jī)制：不采南信板C周期數(shù)）二Rk片伶醺I 7其中Mnad停中行：？1點(diǎn)停頓工O*蛾停頓；0髭f恂伯頓；0自制好頓：0 白陷停頓：口 信用幣周期總就：7十指名；I相畬指教:1“其中:,爐一由功：門|歸文朱政：u3）關(guān)閉延遲分支功能。單擊“配置”“延遲梢”，使處于關(guān)閉狀態(tài)4）執(zhí)行該程序。觀察并記錄發(fā)生分支延遲的時(shí)刻。沒有采用分支延遲:答：發(fā)生分支延遲的時(shí)刻為：第18周期驚行時(shí)間周期數(shù): G 的行時(shí)間f周期數(shù)，T 比行時(shí)間f周期致3 10占周期總敝的百分比：3.昵/占所有K而停頓的百分比：8 5Tl43% 占睇MKAH停頓的百汩比：口海由周期總數(shù)的百分比；

16、。/占周期總數(shù)的百分比；點(diǎn)占周期總數(shù)的百分比：呢占周崩總數(shù)的百分比：門也占周切忌劫的百分比；4373能占指令總數(shù)的百分比：11 Ml*占分支才旨今題的百用比：解古介吉寺言令購的百籌比；中-Eh行團(tuán)期般lh行了 m條指令在件用置； 內(nèi)在客堡；qrea e 加法器個(gè)頻：1 乘法器個(gè)數(shù);1 除法器個(gè)數(shù)；1 定向機(jī)制；不采用停賴（周期數(shù)）： 艮然停電a 茸和lo&d信頓：2 渾直高曲0I拗信幀C 結(jié)構(gòu)停頓； 控制信頓：1 自路信頓； 停賴周期總數(shù);S分支指令：|指令募教；1 | 建中；執(zhí)行時(shí)間（周期獨(dú) :0執(zhí)行時(shí)間4周期熱） T執(zhí)行時(shí)間（周期數(shù)“口占周期總數(shù)的百分比；蟲,q-i瞰占斯有助嘴頓的百分比：

17、25依 占斯有11M信4就百分比二0% 占周期總數(shù)的百分比；或 占周期總題的百分比；跳 占周期總薊的百分比；5 555555% 占周期總撤的百分比； 占周期總數(shù)的百分比；皿嗨分支失?。?占*然總撤的百分比；itmm占分支指令卻的百分比二 皿占分支指臺(tái)獨(dú)的百分比二0%匚總;工口甥仇行了正條指令硬件配置：內(nèi)存答里士 40K E 加法法小數(shù)：1 乘法器個(gè)數(shù)：1 除法器個(gè)數(shù)；1 定向機(jī)制士不采用勵(lì)氏利期數(shù)）= RH停頓；15 其中：1中“僖頓；4 浮點(diǎn)看頓；0WAK僖頓；a 結(jié)構(gòu)信頓：0 控制信頓：1 自陷停頓二0 信頓周期總數(shù)：le板印寸間（周期數(shù)）:6 抑御洞周期數(shù)）7 執(zhí)行時(shí)間C周期敷）1。占周

18、期總數(shù)的百分比；記.3打1筆占斫有處出得頓的百分比：26.66667占斫有航咋頓的百分比；0%占周期總數(shù)的百分比；曲占周期總數(shù)的百分比：0%占周期總物的百分比二3一表50G*占周期總數(shù)的百分比二曜占周期總數(shù)的百分比二51 6里縫分支指令:曾令條蜀1= 2it支成功士 U分支失?。?占指令總數(shù)的百分比：13. 3X333占公安指令敦的百分比：5郎 占分支揩令數(shù)的百分比：Ofc匯總消幅輸嘀嬴為1程機(jī)行了 15條指令占周期總數(shù)的百分比二4崎4劭戈占所有KAW停頓的百分比:25%占所有RAW惇頓的百分比士 0% 占周期總數(shù)的百分比：質(zhì) 占周期總數(shù)的百分比二醵 占周期總數(shù)的百分比；H況電況寓 占周期總數(shù)

19、的百分比：魏 占周期總勃的百分比：6d.MM映Mttaifi：內(nèi)存容里，4096 E 力磁器個(gè)數(shù)11 乘法器個(gè)數(shù)：1 E鍍器個(gè)激二1 定向機(jī)制：不采用I僖頓周期數(shù)）： 加停頓：16 其中：led得。融41點(diǎn)停頓二陽曲僖頓！ 0箱構(gòu)停頓;0mti停頓：2自陷停頓+ 0停頓周期總教;1A執(zhí)行Gh間（周期期） ； 6 執(zhí)行時(shí)間（周期數(shù)）T 執(zhí)行時(shí)間（周期數(shù)）1。占指令總數(shù)的百分比；13- 33333%占分封旨令救的百分比；50得 占分支合數(shù)的百分比；鄧 a 11 泛 13 H 15 I6 L7 圈 曲執(zhí)行時(shí)間（周期額）：& 執(zhí)行時(shí)間周期初？ 執(zhí)行時(shí)間周期數(shù) 10洋點(diǎn)停頓;Q旨令條數(shù)“I尹：|分支成功

20、二， 分支失蹶:16）假設(shè)延遲槽有1個(gè)，對(duì)branch.s進(jìn)行指令調(diào)度，然后保存到5）記錄執(zhí)行該程序所用的總時(shí)鐘周期數(shù)執(zhí)行周期總數(shù)為38 ,其中RAW停頓16次、10ad停頓4次、控制停頓0次、自陷停頓1次?？偼ｎD周期占總執(zhí)行周期的 50%匯身_曲行周期裊數(shù)：萬1段出行了通條指令硬件量:內(nèi)存客量：如鴕E加法器個(gè)數(shù), 1乘法器個(gè)麴，1 除法器個(gè)數(shù);1定向機(jī)制：不親用占周期總勃的百分比二4之通曉鹿占附有停賴的百分比：25* 占所有Ek*停頓的百分比：型冒糊停頓；0占周期總數(shù)的百分比二,結(jié)構(gòu)僖頓；0占周期總題的百分比：前控制信頓：2占麒晦曲的百分比：5.3156言略信驚；1占周科總數(shù)的百分比二匕64

21、5TM停頓周既總配回占百磔旃局各T加售分支指令二占指令總數(shù)的百分比二it inn%占分支指合激的百分比：50%占分支指令數(shù)的百分比:5皿“delayed-branch.s ” 中。d e layed -bra n ch.5 -記事本文件但 awoj格式 宣昌M *鼬(H).textmain：ADDI $r2,SrOf1024ADD $r3,SrOT $r0ADDI $r4,SrO,8loop：LW $rl,0($r2)ADDI $r3TSr3T4ADDI1SUB $r5,5r4,$r3SW$rl,0($r2)BGTZ $r5 TloopLW$rl,0($r2)ADD $r7,SrO,$r6TE

22、Q $rO,SrO7)載入 delayed-branch.s 。打開j MlPm kkk、用奉樣例卷厚P18）打開延遲分支功能單擊“配置”“延遲梢”，使該項(xiàng)前有，來實(shí)現(xiàn)9）執(zhí)行該程序。觀察其時(shí)鐘周期圖采用分支延遲:10）記錄執(zhí)行該程序所用的總時(shí)鐘周期數(shù)?？倳r(shí)鐘周期數(shù)為26。其中RAW停頓4次、10ad停頓2次、自陷停頓1次?？?停頓周期占總執(zhí)行周期的19.23077%口設(shè)執(zhí)行了如條指畬硬件配用：內(nèi)存容星：4 口配B加法器個(gè)數(shù)：I乘法器個(gè)數(shù)+ 1 除法器個(gè)數(shù)=1 定向機(jī)制：不采用黃頓（理期數(shù)）： |RAW停頓： 母:浮點(diǎn)停頓；。 以M?頓：o 結(jié)癡觸；口 控制停； o 自陷停蛹1執(zhí)行時(shí)間 周期勃

23、）：6 執(zhí)行時(shí)間（周期數(shù)）7 IA行時(shí)間（周期幼）io占圄期總觸的百分比115 3S461X占所有aH僖頓的百分比；印有 占所有總“停頓的百分比；QX占周期總數(shù)的百分比：0%占周期總數(shù)的百分比；口% 占周期總數(shù)的百分比；Q得 占同期總數(shù)的百分比；646154*幽麗幅釉S|館各條條;W I其市；|占周期總數(shù)的百分比：1泣窗口 TT寓分支成功：1分支失??；I占指令總數(shù)的百分比；1黑占分支指令數(shù)的百分比：50% 占分支指令數(shù)的百分比：5騏loid/storttu/ ：三甲；loa.d ： 4stor： Z占指令總額的百分比：3解占Mwd/FSrT旨令數(shù)的百分比；6S. 66666占1g燈江。m指令數(shù)

24、的百分比：33 33333% o o O :11:： 令親：陵法法 指令中加乘於 點(diǎn)指其 ,二占指令總數(shù)的百分比；口/占浮方指令麴的百分比：弘 占浮點(diǎn)指令數(shù)的百分比二0% 占潭點(diǎn)指令演髓百分比二牌11對(duì)比上述兩種情況下的時(shí)鐘周期圖見上圖12）根據(jù)記錄結(jié)果，比較沒采用延遲分支和采用了延遲分支的性能之間 的不同。論述延遲分支對(duì)于提高 CPU性能的作用。答：沒采用分支延遲的時(shí)候周期總數(shù)為 38 ,采用分支后的周期總數(shù)為26 ,可知, 在使用延遲槽后，指令在運(yùn)行到跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)延遲等待，則能夠提高CPU的性能。并且在使用延遲后，指令在運(yùn)行到跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)延遲等待，則能夠提高CPU的性能。所以只要分支延遲槽中的指令是夠用的，流水線中就沒有停頓，這時(shí)延遲分支的方法就能很好的減少分支延遲。所以放入延遲槽中的指令是很重要的，對(duì) CPU性能的影響是很顯著的！分支延遲槽(Branch delay slot),簡單地說就是位于分支指令后面的一條指令，不管分支發(fā)生與否其總是被執(zhí)行，而且位于分支延遲槽中的指令先于分支指 令提交(comm計(jì))。.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論：指令調(diào)度讓指令順序重新組織后能消除部分的數(shù)據(jù)沖突，指令調(diào)度的優(yōu)劣直接影響C