计算机体系结构实验报告：流水线相关与指令调度分析

"吴逸韬同学的一份关于《计算机体系结构》实验报告，涉及MIPS64汇编语言编程及WinMIPS64模拟器的使用，重点探讨了流水线相关、指令调度、数据相关及其解决方法" 实验报告详细内容： 实验主要关注了MIPS64架构下的流水线技术和指令调度在提升CPU性能中的作用。首先，学生需要选择并执行三个不同的MIPS64汇编程序——求阶乘程序factorial.s、插入排序程序isort.s和乘法计算程序mult.s，通过WinMIPS64模拟器以步进、连续和设置断点的方式观察程序执行过程，了解CPU内部寄存器和存储器的状态。 在结构相关部分，实验要求识别出可能导致结构相关的指令对，分析它们在CPU中引起的暂停时钟周期数，并计算占总执行周期数的百分比。结构相关是指当一条指令的输出需要作为后续指令的输入时，由于流水线的不同阶段之间存在时序约束，可能会导致等待，从而影响性能。解决结构相关通常采用重排序缓冲区、预测技术等方法。 数据相关则是指一条指令的结果被另一条指令使用时，由于执行顺序的问题导致的等待。实验要求在不使用定向技术的情况下运行包含数据相关的程序，记录暂停的时钟周期数，然后在采用定向技术后再次运行，比较性能提升的倍数。定向技术如数据预取、转发等，可以减少数据等待，提高执行效率。 在指令调度环节，学生需要编写包含数据相关和结构相关的MIPS64代码，通过调度技术优化程序，消除相关性。记录调度前后的相关次数、指令组合和执行周期，以此论证指令调度对于提升CPU性能的重要性。 最后，实验还涉及了循环展开、寄存器换名等优化技术，通过编写包含简单循环的MIPS64程序，观察这些技术如何减少循环开销，提高执行效率。 实验报告的目标是使学生深入理解计算机体系结构中的关键概念，尤其是流水线技术和指令调度策略，以及它们在实际系统中的应用和影响。通过这样的实践，学生能够更好地掌握高性能计算的原理，为未来的系统设计和优化打下坚实基础。