指令调度和延迟分支
实验一 流水线及流水线中的冲突
实验一流水线及流水线中的冲突程元彬PB12011076实验目的1.加深对计算机流水线基本概念的理解；2.理解MIPS结构如何用5段流水线来实现，理解各段的功能和基本操作；3.加深对数据冲突、结构冲突的理解，理解这两类冲突对CPU性能的影响；4.进一步理解解决数据冲突的方法，掌握如何应用定向技术来减少数据冲突引起的停顿。
5.加深对指令调度和延迟分支技术的理解；6.熟练掌握用指令调度技术来解决流水线中的数据冲突的方法；7.进一步理解指令调度技术和延迟分支技术对CPU性能的改进。
实验平台指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim，实验内容和步骤首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。
一、流水线及流水线中的冲突观察1. 启动MIPSsim。
2．根据预备知识中关于流水线各段操作的描述，进一步理解流水线窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含义。
（用鼠标双击各段，就可以看到各流水寄存器的内容）3. 熟悉MIPSsim模拟器的操作和使用方法。
可以先载入一个样例程序（在本模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件夹中），然后分别以单步执行一个周期、执行多个周期、连续执行、设置断点等的方式运行程序，观察程序的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容的变化，特别是流水寄存器内容的变化。
4. 勾选配置菜单中的“流水方式”，使模拟器工作于流水方式下。
5．观察程序在流水线中的执行情况，步骤如下：(1)用MIPSsim的“文件”菜单中的“载入程序”来加载pipeline.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）；(2)关闭定向功能。
这是通过在“配置”菜单中去选“定向”（即使得该项前面没有“√”号）来实现的；(3)用单步执行一周期的方式（“执行”菜单中，或用F7）执行该程序，观察每一周期中，各段流水寄存器内容的变化、指令的执行情况（代码窗口）以及时钟周期图；(4)当执行到第10个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是：IF：ADDI $r6,$r0,8ID：ADD $r2,$r1,$r0EX：BGEZAL $r1,funcMEM：无WB：无画出这时的时钟周期图。
指令调度名词解释__概述说明以及解释
指令调度名词解释概述说明以及解释1. 引言1.1 概述在计算机领域，在执行指令的过程中，指令调度起着重要的作用。
指令调度是操作系统对CPU处理器进行任务分配和进程管理的关键部分。
它通过合理安排和调度进程的执行顺序，可以提高CPU利用率、降低响应时间，并改善系统性能。
1.2 文章结构本文将首先对指令调度进行名词解释，包括定义、功能和作用，分类和特点等方面进行详细说明。
接着，将概述指令调度的背景与重要性，探讨其执行流程和原则，并介绍常见的调度算法及其评估标准。
然后，将解释指令调度的关键要点，包括就绪队列管理与进程优先级划分策略、时间片轮转算法以及抢占式调度策略等内容。
最后，在结论部分总结主要观点和结论，展望指令调度的发展前景和未来研究方向，并提出存在问题并给予建议。
1.3 目的本文旨在全面解释和说明指令调度相关的核心概念和原理，并深入分析其功能、作用以及应用场景。
通过本文的阐述，读者可以了解指令调度的重要性、优化策略和算法，并对当前的研究热点和未来发展进行展望。
同时，通过指出存在的问题并提供建议，为进一步研究和改善指令调度提供参考。
2. 指令调度名词解释2.1 定义:指令调度是操作系统中的一个重要概念，它是指根据一定的策略将处于就绪状态的进程分配给处理器执行的过程。
具体而言，指令调度负责选择哪个进程将被优先执行以及在多个进程竞争处理器时如何进行调度。
2.2 功能和作用:指令调度的主要功能是合理安排系统资源，提高计算机处理效率。
通过合适地安排进程之间的执行顺序，可以充分利用CPU，并确保各个进程得到公平的机会使用处理器。
同时，指令调度也能够有效地响应用户请求，并保证每个进程都能及时得到运行并完成任务。
2.3 分类和特点:根据不同的需求和策略，指令调度可以分为多种类型。
常见的几种调度算法包括先来先服务（First-Come-First-Served）、短作业优先（Shortest Job First）、最高优先权（Highest Priority）和时间片轮转（Round Robin）等。
单片机指令的多任务处理与调度
单片机指令的多任务处理与调度单片机是一种微型计算机系统，拥有一个单一的集成电路芯片，其内部包含中央处理器、存储器和输入/输出接口等基本组成部件。
单片机通过执行一条条指令来进行计算和控制操作。
在实际应用中，我们常常需要单片机同时完成多个任务，这就需要进行多任务处理和调度。
多任务处理是指单片机能够在同一个时间周期内处理多个任务，以提高系统的效率和响应能力。
而多任务调度则是指将多个任务按照一定的优先级顺序进行分配和执行的过程。
在单片机的多任务处理与调度中，我们可以使用中断、定时器、轮询等方法来实现。
首先，中断是一种常见的多任务处理与调度方法。
当某个任务需要被立即处理时，可以通过产生中断来打断当前正在执行的任务，转而去处理中断任务。
通过使用不同的中断优先级，可以实现对任务的合理分配和处理。
例如，当一个任务的中断优先级较高时，可以打断当前任务的执行，立即去处理中断任务。
其次，定时器也是一种常用的多任务处理与调度方法。
通过设置定时器，在特定的时间周期内，可以定时执行某个任务。
通过合理设置定时器的时间间隔和优先级，可以实现对多个任务的调度。
例如，当一个任务的定时器周期结束时，系统会自动切换到另一个任务的执行。
此外，轮询也是一种常见的多任务处理与调度方法。
通过轮询各个任务的状态，可以实现对多个任务的循环执行。
通过合理设置任务的优先级和执行顺序，可以确保各个任务按照一定的规则被执行。
例如，可以设置一个循环计数器，在每个时间周期内，按照一定的顺序轮询执行各个任务。
在实际应用中，我们常常需要根据任务的重要性和紧急程度来进行多任务处理与调度。
可以根据任务的特点和需求，合理选择适用的方法。
同时，还需要考虑到系统资源的限制和任务之间的关联性，以确保多任务处理与调度的效果和稳定性。
总之，单片机指令的多任务处理与调度是一项重要的技术，可以提高系统的效率和响应能力。
通过使用中断、定时器、轮询等方法，可以实现对多个任务的分配和执行。
吉林大学计算机系统结构题库第三章
第三章流水线技术知识点汇总先行控制、流水线、单功能流水线、多功能流水线、静态流水线、动态流水线、部件级流水线、处理机级流水线、处理机间流水线、线性流水线、非线性流水线、顺序流水线、乱序流水线、时空图、流水线性能评价（吞吐率、加速比、效率）、解决流水线瓶颈问题方法、相关（数据相关、名相关、控制相关）、换名技术、流水线冲突（结构冲突、数据冲突、控制冲突）、流水线互锁机制、定向技术、指令调度、预测分支失败、预测分支成功、延迟分支（从前调度、从失败处调度、从成功处调度）、流水寄存器、3种向量处理方式（横向、纵向、纵横）、链接技术。
简答题1.流水技术有哪些特点？（答出4个即可）（知识点：流水线）答：1.将处理过程分解为若干子过程，由专门的功能部件来实现，2各段的时间尽可能相等，3各部件间都有一个缓冲寄存器，4适用于大量重复的时序过程，5需要通过时间和排空时间。
2.什么是静态流水线？什么是动态流水线？（知识点：静态流水线、动态流水线）答：同一时间段内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作；同一时间段内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接同时执行多种功能。
3.什么是单功能流水线？什么是多功能流水线？（知识点：单功能流水线、多功能流水线）答：只能完成一种固定功能的流水线。
流水线的各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能。
4.什么是线性流水线？什么是非线性流水线？（知识点：线性流水线、非线性流水线）答：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。
流水线中除了有串行的连接外，还有反馈回路。
5.列举3种相关。
（知识点：相关）答：数据相关，名相关，控制相关。
6.流水线中有哪三种冲突？各是什么原因造成的？（知识点：流水线冲突）答：结构冲突，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求；数据冲突，指令在流水线中重叠执行时需要用到前面指令的执行结果；控制冲突，流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令。
7.选择至少2种解决流水线结构冲突的方法简述。
全局指令调度名词解释系统结构
全局指令调度名词解释系统结构第一章名称解析：程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
软件兼容：一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上运行。
差别只是执行时间的不同。
时间重叠：在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。
资源重复：在并行性概念中引入空间因素，以数量取胜。
通过重复设置硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能。
实现软件可移植的方法：采用系列机方法，只能在具有相同系统结构的各种机器之间实现软件移植，般是一个厂家生产的机器。
采用模拟与仿真的方法，可在不同系统结构的机器之间相互移植软件，对于使用频率较高的指令，尽可能用仿真方法以提高运算速度，而对于使用频率低且难于用仿真实现的指令则用模拟方法来实现。
采用统一的高级语言方法，可以解决结构相同或完全不同的各种机器上的软件移植，但是，要统一高级语言，语言的标准化很重要，但难以在短期内解决。
第二章2.1解释下列术语堆栈型机器：CPU中存储操作数的单元是堆栈的机器。
累加器型机器：CPU中存储操作数的单元是累加器的机器通用寄存器型机器：CPU中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。
CISC：复杂指令集计算机RISC：精简指令集计算机寻址方式：指令系统中如何形成所要访问的数据的地址。
一般来说，寻址方式可以指明指令中的操作数是一个常数丶一个寄存器操作数或者是一个存储器操作数数据表示：硬件结构能够识别、指令系统可以直接调用的那些数据结构。
2.2区别不同指令集结构的主要因素是什么？根据这个主要因素可将指令集结构分为哪3类？答：区别不同指令集结构的主要因素是CPU中用来存储操作数的存储单元。
据此可将指令系统结构分为堆栈结构、累加器结构和通用寄存器结构。
2.3指令集结构设计所涉及的内容有哪些？指令集功能设计：主要有RISC和CISC两种技术发展方向；寻址方式的设计：设置寻址方式可以通过对基准程序进行测试统计，察看各种寻址方式的使用频率，根据适用频率设置必要的寻址方式。
指令调度和延迟分支实验总结
指令调度和延迟分支实验总结指令调度和延迟分支是计算机体系结构中的两个重要概念。
指令调度是指在执行指令时，通过优化指令的顺序和调整执行时间，以提高CPU的效率。
而延迟分支则是为了避免CPU在等待分支结果时浪费时间，采用一种预测技术来减少分支对CPU效率的影响。
一、指令调度1. 指令调度的概念指令调度是一种优化技术，通过重新排列程序中的指令顺序，使得CPU能够更好地利用其硬件资源。
在执行程序时，CPU需要从内存中读取指令，并将其解码为可执行操作码。
然后，CPU根据操作码进行运算，并将结果写回内存。
2. 指令调度的优点（1）提高CPU效率：通过重新排列程序中的指令顺序，可以使得CPU更好地利用其硬件资源，从而提高效率。
（2）减少空闲时间：由于程序中存在大量独立的操作，因此可以通过将这些操作组合起来执行，从而减少空闲时间。
（3）提高缓存命中率：由于现代计算机都采用了多级缓存结构，在进行数据访问时会涉及到缓存命中率的问题。
指令调度可以通过重新排列程序中的指令顺序，使得CPU能够更好地利用缓存，从而提高命中率。
3. 指令调度的实现方法（1）静态调度：在编译程序时，对程序进行指令重排，生成新的可执行代码。
（2）动态调度：在程序运行时，根据当前CPU状态和任务负载情况，动态地调整指令执行顺序。
二、延迟分支1. 延迟分支的概念延迟分支是一种预测技术，通过预测分支结果来减少CPU在等待分支结果时浪费时间。
由于分支语句会导致程序流程的改变，因此在执行分支语句时需要等待条件判断结果。
如果条件成立，则跳转到目标地址；否则继续执行下一条指令。
2. 延迟分支的优点（1）减少CPU空闲时间：由于CPU不需要等待分支结果就可以继续执行下一条指令，因此可以减少空闲时间。
（2）提高CPU效率：通过预测分支结果来减少CPU等待时间，从而提高效率。
3. 延迟分支的实现方法（1）静态预测：在编译程序时，对程序中的分支语句进行预测，并将预测结果保存在可执行代码中。
实验八 指令调度和延迟分支
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2019
学年
第
2
学期
课程名称计算机组成原理
实验序号实验8
实验项目指令调度和延迟分支
实验地点软件开发教学实训平台
实验学时2实验类型验证性
指导教师···
专业计算机科学与技术班级2017级计算机(2)
学号···姓名玄月二五
2019年3月
一、实验目的及要求
1、认识和学习指令调度；
2、了解调度指令延迟分支。
2、调度指令延迟分支的三种方法：为防止事故扩大，厂站值班员可不待调度指令自行进行以下紧急操作，但事后应立即向调度汇报：
(1)对人身和设备安全有威胁的设备停电；
(2)将故障停运已损坏的设备隔离；
(3)当厂站用电部分或全部停电时，恢复其电源；
(4)现场规程规定的可以不待调度指令自行...
四、实验结果分析
操作令又分为：单项操作令、逐项操作令和综合操作令。
a.单项操作令：值班调度员向运行值班员发布的单一一项操作的指令。
b.逐项操作令：值班调度员向运行值班员发布的操作指令是具体的逐项操作步骤和内容,要求运行值班员按照指令的操作步骤和内容逐项进行操作。
c.综合操作令：值班调度员给运行值班员发布的不涉及其他厂站配合的综合操作任务的调度指令。其具体的逐项操作步骤和内容,以及安全措施,均由运行值班员自行按规程拟订。
二、实验内容：
1、指令调度概念
（1）概念
（2）分类
2、调度指令延迟分支
三、实验过程及工件原理（实验步骤）
1.指令调度
(1)概念：是指电网调度机构值班调度员对其下级值班调度员或调度管辖厂站值班员发布有关运行和操作的指令。
(2)分类
1口头令：由值班调度员口头下达(无须填写操作票)的调度指令。
调度命令名词解释
调度命令名词解释调度（Scheduling），是指计算机系统中对于任务的安排与分派。
调度是操作系统的重要功能之一，其主要目标是优化系统资源的利用，提高系统性能和用户感知度。
在计算机系统中，调度可以分为多种类型，如进程调度、作业调度、线程调度等。
不同类型的调度侧重于不同的任务单位，但目标都是通过合理的任务分配和优先级管理以最大化系统的运行效率。
进程调度是指操作系统将系统资源（如CPU、内存、设备等）分配给不同进程的过程。
进程调度有多种算法，如先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、时间片轮转（RR）等。
这些算法根据进程的特点和需求来决定如何进行进程的选择与调度，以提供更好的系统性能。
作业调度是指对于一组作业的调度和执行顺序的安排。
作业调度主要关注的是作业的提交和完成时间，以及作业之间的依赖关系。
作业调度算法包括最早截止时间优先（EDF）、先来先服务（FCFS）等，它们通过合理分配系统资源来保证作业的顺利进行。
线程调度是指对于多线程任务的调度和分配。
线程是操作系统中最小的任务单位，线程调度的目标是平衡线程之间的资源占用和执行速度，提供更好的并发性能。
常见的线程调度算法有优先级调度、时间片轮转等，它们通过设置线程的优先级和时间片来控制线程的执行顺序和时间片分配。
除了以上几种调度方式，还有一些特殊的调度算法应用于特定领域。
例如实时调度用于对实时任务的调度，磁盘调度用于磁盘访问的优化等。
总之，调度是操作系统中的重要功能，通过合理的任务分配和优先级管理来实现系统资源的有效利用。
各种调度算法根据不同任务单位的特点和需求，选择适合的调度方式和策略，以提高系统性能和用户体验。
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实验5 指令调度和延迟分支
一.实验目的
（1）加深对指令调度技术的理解。
（2）加深对延迟分支技术的理解。
（3）熟练掌握用指令调度技术解决流水线中的数据冲突的方法。
（4）进一步理解指令调度技术对CPU性能的改进。
（5）进一步理解延迟分支技术对CPU性能的改进。
二.实验内容和步骤:
(1)、启动MIPSsim。
(2)、根据前面的相关知识中关于流水线各段操作的描述，进一步理解流水线窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含义。
指令流水线有取指(IF)、译码(ID)、执行(EX)、访存(MEM)、写回寄存器堆(WB)5个过程段，共有7条指令连续输入此流水线
IF段(取指)：取指令，控制器必须具备能自动地从存储器中取出指令的功能
ID段（译码）：指令译码、读寄存器
EX段（执行）:执行、访存有效地址字段
MEM段（访存）:存储器访问
WB（写回寄存器堆）:结果写回寄存器
在该窗口中，每一个矩形方块代表一个流水段，它们用不同的颜色填充。
在该窗口的左侧是IF到WB段，其右边为浮点部件。
浮点部件分有浮点加法部件（fadd）、浮点乘法部件（fmul）和浮点除法部件（fdiv）三种。
在菜单“配置” “常规配置”中修改浮点部件个数，可看到该窗口中对应类型的浮点部件个数会发生相应的变化。
(3)、选择“配置”->“流水方式”选项，使模拟器工作于流水方式下。
(4)、用指令调度技术解决流水线中的数据冲突。
1）启动MIPSsim。
2）加载schedule.s。
3）关闭定向功能。
4）执行所载入的程序。
通过查看统计数据和时钟周期图，找出并记录程序执行过程中各种冲突发生的次数、发生冲突的指令组合以及程序执行的总时钟周期数。
调度前：
RAW发生的冲突周期数：2、3、5、6、8、9、11、12、15、16、18、19、
21、22、25、26
由以上可知：
RAW数据冲突发生了16次，其中load停顿6次，自陷停顿1次，停顿周期总数17次
执行过程中各种冲突发生次数：16次
程序执行的总时钟周期数：33次
发生冲突的指令组合：
TEQ $r0,$r0
ADDIU $r1,$r0,56
LW $r2,0($r1) 与上条写后读冲突；
ADD $r4,$r0,$r2 与上条指令写后读冲突；
SW $r4,0($r1）与上条指令写后读冲突；
LW $r6,4($r1)
ADD $r8,$r6,$r1 与上条指令写后读冲突；
MUL $r12,$r10,$r1
ADD $r16,$r12,$r1 与上条指令写后读冲突；
ADD $r18,$r16,$r1 与上条指令组件冲突
SW $r18,16($r1) 与上条指令写后读冲突；
LW $r20,8($r1)
MUL $r22,$r20,$r14与上条指令写后读冲突；
5)采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除冲突。
将调度后的程序存到after-schedule.s中。
6)载入after-schedule.s。
7)执行该程序。
观察程序在流水线中的执行情况，记录程序执行的总时钟
周期数。
调度后：
执行总时钟周期数为19，其中RAW停顿2次、load停顿0次、自陷停顿1次。
停顿总周期占总执行周期的15.78947%。
8)根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。
论述指令调度对于提高CPU性能的作用。
根据记录结果：指令调度后时钟总周期数从33降低到19，指令调度使指令顺序重新组合，可以消除部分的数据冲突，从而通过指令调度技术显著地提高了CPU的使用率，大大减少了指令冲突的次数，提高了CPU的性能。
指令调度的优劣直接影响CPU性能的发挥好坏，好的指令调度可以让停顿周期大幅度减少。
（5）、用延迟分支减少分支指令对性能的影响。
1）启动MIPSsim。
2）载入branch.s。
3）关闭延迟分支功能。
单击“配置” “延迟槽”，使处于关闭状态即为默认状态4）执行该程序。
观察并记录发生分支延迟的时刻。
没有采用分支延迟：
答：发生分支延迟的时刻为：第18周期。
5）记录执行该程序所用的总时钟周期数。
执行周期总数为38，其中RAW停顿16次、load停顿4次、控制停顿0次、自陷停顿1次。
总停顿周期占总执行周期的50%。
6）假设延迟槽有1个，对branch.s进行指令调度，然后保存到“delayed-branch.s”中。
7）载入delayed-branch.s。
8）打开延迟分支功能。
单击“配置” “延迟槽”，使该项前有√来实现9）执行该程序。
观察其时钟周期图。
采用分支延迟：
10）记录执行该程序所用的总时钟周期数。
总时钟周期数为26。
其中RAW停顿4次、load停顿2次、自陷停顿1次。
总停顿周期占总执行周期的19.23077%。
11）对比上述两种情况下的时钟周期图。
见上图
12）根据记录结果，比较没采用延迟分支和采用了延迟分支的性能之间的不同。
论述延迟分支对于提高CPU性能的作用。
答：没采用分支延迟的时候周期总数为38，采用分支后的周期总数为26，可知，在使用延迟槽后，指令在运行到跳转指令时，不会出现延迟等待，则能够提高
CPU的性能。
并且在使用延迟后，指令在运行到跳转指令时，不会出现延迟等待，则能够提高CPU的性能。
所以只要分支延迟槽中的指令是够用的，流水线中就没有停顿，这时延迟分支的方法就能很好的减少分支延迟。
所以放入延迟槽中的指令是很重要的，对CPU性能的影响是很显著的！
分支延迟槽(Branch delay slot)，简单地说就是位于分支指令后面的一条指令，不管分支发生与否其总是被执行，而且位于分支延迟槽中的指令先于分支指令提交(commit)。
三.实验结果分析
实验结论：指令调度让指令顺序重新组织后能消除部分的数据冲突，指令调度的优劣直接影响CPU性能的发挥好坏，好的指令调度可以让停顿周期大幅度减少。
只要分支延迟槽中的指令时有用的，流水线中就没有停顿，这是延迟分支的方法就能很好的减少分支延迟，所以放入延迟槽中的指令是很重要的，对CPU 性能的影响是显著的。
1.了解了什么是指令调度以及指令调度对CPU性能的影响：
指令调度：
为了减少停顿，对于无法使用定向技术解决的问题，可以通过指令调度让指令顺序重新组织后能消除部分的数据冲突，指令调度的优劣直接影响CPU性能的发挥好坏，好的指令调度可以让指令周期大幅度减少。
指令调度对CPU性能的影响：
指令调度技术减少了指令冲突的次数，提高了CPU的性能。
2.延迟分支：
位于分支指令后面的一条指令，不管分支发生与否其总是被执行，而且位于分支延迟槽中的指令先于分支指令提交。
只要分支延迟槽中的指令时有用的，流水线中就没有停顿，这是延迟分支的方法就能很好的减少分支延迟，所以放入延迟槽中的指令是很重要的，对CPU性能的影响是显著的。
延迟分支对CPU性能的影响：
延迟分支减少分支指令能够稍微提高GPU的性能。
3.了解到执行分支指令的结果有两种：一种是分支“成功”，PC的值改变为分支转移的目标地址，另一种情况分支“不成功”，这是PC的值保持正常递增，指向顺序的下一条指令。
四.实验心得
通过本次实验锻炼了我的动手操作能力，我对指令调度和延迟分支有了进一步的了解和掌握，我学到了分支延迟调度的方法，并初步掌握了用指令调度技术解决指令流水线中的数据冲突问题的方法。
理解了指令调度技术和延迟分支技术对CPU性能的改进。
我学习到了指令调度方式以及延迟分支调度方式对CPU性能的影响，就指令调度方式来，说通过使发生冲突的指令改变顺序，或者删除其中一部分指令，或者增加一部分指令，对CPU的性能影响是不一样的，使我对该章的知识有了深入的了解并且能够运用。
这对我以后的计算机组成原理的学习打下了坚实的基础，让我不断提高，增长了我的知识。
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