使用MIPS指令优化计算两个数组点积的实验报告

"北邮计算机系统结构实验旨在通过MIPS指令实现两个数组的点积计算，增强学生对汇编语言的理解，以及对代码优化和流水线操作的掌握。实验使用MIPSsim模拟器，并通过定向技术和静态调度方法进行性能提升。" 在计算机系统结构中，MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages，无互锁流水级微处理器）是一种精简指令集计算机（RISC）架构，广泛用于教学和研究。本实验主要关注以下几个知识点： 1. **MIPS汇编语言编程**：实验要求编写一个汇编程序来计算两个数组的点积。在MIPS汇编中，程序员需要直接操作寄存器和内存，以完成特定的计算任务。例如，在点积计算中，可能需要使用`add`、`mul`等指令进行加法和乘法运算。 2. **流水线操作**：MIPSsim模拟器支持流水线操作，这是一种提高CPU性能的技术，它将指令处理分解为多个阶段（如取指、解码、执行、写回），使得多个指令可以在同一时间的不同阶段并行处理。实验中提到了`RAW`冲突，即Read-After-Write依赖，当一条指令需要使用到另一条指令尚未写回的结果时，就会发生这种冲突，导致流水线停顿。 3. **代码优化**：实验要求使用定向功能优化代码，减少`RAW`冲突，提高执行效率。定向技术允许在执行过程中改变指令顺序，避免或减少冲突，从而减少停顿周期。 4. **静态调度**：优化程序的一种方法是通过静态指令调度，预先分析指令序列，重新排列指令顺序以减少相关性，降低冲突发生的可能性。实验中提到将`ADD`指令后移，避开与`MUL`指令的`RAW`冲突，从而减少停顿周期。 5. **性能评估**：通过对比优化前后的执行周期数和冲突次数，可以量化评估优化效果。例如，优化后的代码执行周期减少了，`RAW`冲突占周期的比例也下降，表明代码执行效率得到提升。 这个实验不仅锻炼了学生的编程能力，还让他们深入理解了计算机底层的工作原理，特别是在指令级并行性和代码优化方面的知识，这些都是系统结构领域的重要概念。通过这样的实践，学生能够更好地掌握如何设计和优化高效能的计算机程序。