指令调度与延迟分支实验报告 - 李志毅

"该实验是关于指令调度与延迟分支，旨在深入理解流水线技术，并通过MIPSsim模拟器实践解决流水线中的结构冲突与数据冲突。实验者为李志毅，来自2018211314班级，目标包括理解指令调度和延迟分支对CPU性能的影响，以及如何使用调度技术优化程序执行。实验中，首先启动MIPSsim，然后选择流水方式运行。通过关闭定向功能，执行schedule.s程序，分析冲突情况，记录停顿周期、RAW冲突和自陷停顿次数。实验发现多个RAW冲突，并提出通过指令调度来消除这些冲突。" 实验主要涉及以下知识点： 1. **指令调度技术**：这是优化CPU性能的关键方法，通过改变指令的执行顺序，避免数据依赖导致的冲突，从而减少停顿周期，提高流水线效率。在实验中，学生需要识别并解决RAW（Read-After-Write）冲突，这是由于一条指令写入数据，而后续指令立即读取同一数据时产生的冲突。 2. **延迟分支技术**：延迟分支是一种处理分支指令的技术，它将分支指令的执行结果推迟若干周期，使得流水线能够继续执行几条不依赖分支结果的指令，从而减少空闲周期，提升处理器性能。在实验中虽然没有具体实施延迟分支，但其概念是理解流水线优化的重要部分。 3. **MIPSsim模拟器**：这是一个用于模拟MIPS架构处理器的工具，它允许用户在指令级和流水线操作级进行实验。在实验中，MIPSsim被用来模拟流水线操作，分析冲突，以及测试调度后的程序。 4. **流水线操作**：流水线是现代处理器提高执行速度的一种方法，通过将指令的执行过程划分为多个阶段（如取指、译码、执行、写回等），多个指令可以在同一时间的不同阶段同时进行，形成流水线效应。实验中，学生需理解各流水线段的功能，例如取指、译码、执行、内存访问和写回等，并了解流水线寄存器的作用。 5. **数据冲突与结构冲突**：在流水线中，数据冲突（如RAW冲突）是指一条指令的输出数据未准备好之前，下一条指令就需要使用该数据。结构冲突则可能发生在共享硬件资源，如ALU或寄存器，无法同时服务于多条指令的情况。 6. **冲突统计与优化**：通过统计停顿周期、RAW冲突次数和自陷停顿次数，可以量化评估流水线的性能。实验要求学生自行设计调度策略，减少冲突，这需要理解不同调度方法对性能的影响，并在保证程序正确性的前提下进行优化。 通过这个实验，学生不仅可以深化对计算机系统结构的理解，还能掌握实际应用中的优化技巧，对提升CPU性能有直接的实践体验。