实验项目 名称 循环展开及指令调度 1. 加深对循环级并行性、指令调度技术、循环展开技术以及寄存器换名技术的理解； 2. 熟悉用指令调度技术来解决流水线中的数据相关的方法； 3. 了解循环展开、指令调度等技术对CPU性能的改进。 1．用指令调度技术解决流水线中的结构相关与数据相关 （1） 用MIPS汇编语言编写代码文件*.s，程序中应包括数据相关与结构相关（假设：加法﹑乘法﹑除法部件各有2个，延迟时间都是3个时钟周期） （2） 通过Configuration菜单中的 “Floating point stages” 选项，把加法﹑乘法﹑除法部件的个数设置为2个，把延迟都设置为3个时钟周期； （3） 用winMIPS64运行程序。记录程序执行过程中各种相关发生的次数、发生相关的指令组合，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，消除相关； （5） 用winMIPS64运行调度后的程序，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； （6） 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性能的意义。 2. 用循环展开、寄存器换名以及指令调度提高性能 （1） 用MIPS汇编语言编写代码文件*.s，程序中包含一个循环次数为4的整数倍的简单循环； （2） 用winMIPS64运行该程序。记录执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数； （3） 将循环展开3次，将4个循环体组成的代码代替原来的循环体，并对程序做相应的修改。然后对新的循环体进行寄存器换名和指令调度； （4） 用winMIPS64运行修改后的程序，记录执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数； （5） 根据记录结果，比较循环展开、指令调度前后的性能。 实验 目的及要求 实验 内容 实验步骤 1．用指令调度技术解决流水线中的结构相关与数据相关 1) 代 码： divf f2,f5,f6 divf f1,f2,f6 divf f3,f1,f5 divf f0,f4,f7 addf f14,f0,f6 addf f15,f5,f7 multf f20,f4,f6 multf f21,f5,f7 2）设置运算部件个数以及运算时钟周期数 图1 图2. Pipeline图 以下为出现的数据相关 图3 先写后读相关 图4 由于只有两个除法部件，所以出现了功能部件的冲突。 总的执行周期是38指令调度后代码：将无关指令放在一起执行，相关指令分开尽量避免数据相关 divf f2,f5,f6 multf f20,f4,f6 multf f21,f5,f7 divf f1,f2,f6 addf f15,f5,f7 divf f3,f1,f5 divf f0,f4,f7 addf f14,f0,f6 图5.Pipeline图 图6.Statistics图 总执行时钟周期为35个。 （6）指令调度后，数据相关减少了，总时钟周期数减少了，效能提高了。调度前的时钟周期数为38，调度后的时钟周期数减少为35，加速比 = 38/35= 1.08 2. 用循环展开、寄存器换名以及指令调度提高性能 带循环指令 代码：求四个1相加的和，结果存在r2中 .text .global main main: addi r1,r0,#4 addi r2,r0,#0 Loop: sgt r3,r1,r0 bnez r3,Sub1 trap 0 Sub1: addi r2,r2,#1 subi r1,r1,#1 j Loop 结果：总时钟周期是42个，5 raw stalls,循环了4次，结果 r2 =4 图7 循环展开： 代码： .text .global main main: addi r1,r0,#4 addi r2,r0,#0 addi r2,r2,#1 subi r1,r1,#1 addi r2,r2,#1 subi r1,r1,#1 addi r2,r2,#1 subi r1,r1,#1 addi r2,r2,#1 subi r1,r1,#1 trap 0 结果：总时钟周期是15个，0 raw stalls,执行了4次，结果r2 = 4
循环展开及指令调度课件
