计算机体系结构实验：流水线、指令调度与Cache性能

计算机体系结构实验是一门实践性强的课程，主要涉及三个关键部分：流水线、指令调度和Cache性能分析。本次实验旨在通过实际操作和理论结合，让学生深入理解计算机体系结构的核心概念。 首先，3.1流水线中的相关部分是实验的基础，实验目标包括熟练掌握WinDLX模拟器的使用，该模拟器主要用于DLX指令集的学习和实验。实验内容要求学生通过运行fact.s、gcm.s和prim.s等程序，观察它们在流水线中的执行流程，特别是关注数据相关和结构相关两种类型的延迟。数据相关指的是指令执行依赖于先前结果的情况，结构相关则涉及到指令间的控制或数据依赖。理解并解决这类相关问题至关重要，因为它们会导致流水线暂停，从而降低CPU的执行效率。解决方法包括合理指令调度，避免重复指令执行，以及利用寄存器换名技术减少对特定寄存器的依赖。 接着，3.2循环展开及指令调度实验关注的是优化指令执行顺序以减少资源冲突。学生需要通过WinDLX分析程序structure_d.s，识别并记录资源相关指令对，计算由于资源相关导致的暂停周期百分比，以此探讨资源相关对CPU性能的影响。实验要求在不同指令调度策略下（如步进、连续和设置断点）对比分析，同时讨论如何通过指令调度和循环展开来改善性能。 最后，3.3 Cache性能分析是实验的重要环节，学生会使用WinDLX运行带有数据相关和无定向技术的data_d.s程序，对比分析数据相关在不同技术条件下的影响。实验将测量和比较在启用和禁用定向技术（即转发功能）情况下，程序的执行效率提升程度。这个部分强调了Cache在缓存命中率和性能优化中的关键作用。 通过这些实验，学生不仅可以掌握计算机体系结构的基本原理，还能学习到如何在实践中优化处理器设计，提升计算机系统的性能。同时，这也为后续的专业研究和实际工程应用打下了坚实的基础。