优化处理器结构：分支预测与BTB在矩阵乘法中的应用

本次实验是深圳大学计算机系统(3)课程中的处理器结构实验二，旨在深入理解控制冒险和分支预测在现代计算机架构中的重要性。学生需要在软件工程/计算机科学与技术专业背景下，通过实践操作掌握分支预测方法，特别是动态分支预测中的BTB（Branch Target Buffer）。 实验的核心内容包括以下几个方面： 1. 控制冒险与分支预测：实验让学生了解控制冒险的概念，即在遇到跳转指令时，由于需要等待内存阶段确认指令地址，可能会导致流水线延迟。动态分支预测技术，如BTB，通过预先猜测分支结果，减少了控制冒险带来的性能损失。 2. BTB的理解与应用：实验者需要学习如何利用BTB存储先前分支指令的地址，以便快速预测下一次相同的指令分支行为。这有助于优化矩阵乘法等程序，提高流水线效率。同时，学生需要设计出特定的代码场景，以验证即使有BTB，某些情况下预测也会失效。 3. 循环展开与分支影响：通过循环展开的方式，学生能够观察到流水线在遇到分支时的停顿次数是如何减少的，这与启用BTB后的情况形成对比，进一步理解分支预测在实际执行中的作用。 4. 实战练习：实验要求在x86系统上编写代码，并借助perf工具观察分支预测失败的次数，以验证理论知识与实际性能的关系。此外，还要编写能让分支预测失败的代码，探究x86架构的预测机制。 5. 实验环境：实验在桌面PC上运行Windows操作系统，提供了实践操作的硬件和软件基础。 通过这次实验，学生不仅会增强对处理器内部结构的理解，还能提升编程技巧和问题解决能力，尤其是在处理性能优化问题时。这是一次将理论知识与实际操作相结合的重要学习经历。