实验四：处理器结构实验二1

【实验四：处理器结构实验二1】主要探讨了处理器结构中的控制冒险、分支预测以及BTB（Branch Target Buffer）在优化程序执行效率方面的作用。实验旨在让学生深入理解这些概念，并通过实际操作提升对WinMIPS64处理器的理解。 控制冒险，也称为分支冒险，是指在遇到跳转指令时，处理器需要等待到内存阶段（MEM）才能决定是否执行分支，这可能导致流水线的停顿，影响性能。为了减少这种延迟，处理器会采用分支预测技术。动态分支预测是其中的一种方法，尤其关注的是BTB。 BTB是分支目标缓冲器，它存储先前遇到的分支指令的地址和它们的目标地址。当处理器再次遇到相同分支指令时，BTB能够预测该分支是否会跳转，从而提前决定指令流，减少控制冒险带来的性能损失。然而，填充BTB需要额外的一个周期时间。 实验中，学生首先执行一个未启用BTB的矩阵乘法程序，然后在启用BTB后再次执行，对比两者的执行效果。矩阵乘法的代码展示了如何初始化和计算矩阵，通过这样的实例，学生可以观察到BTB如何影响流水线的执行细节，如减少分支停顿次数，提高执行效率。 接下来，学生需要设计一段即使开启BTB也无法有效预测的代码，这有助于理解在什么情况下BTB可能失效，例如，对于非连续或随机的分支行为。 此外，实验还引入了循环展开，这是一种优化技术，通过增加循环体内的指令数量来减少分支延迟。通过比较使用循环展开和BTB时流水线因分支停顿的次数，学生可以直观地看到这两种优化方法的不同影响。 实验环境为桌面PC，操作系统为Windows，使用的软件工具可能包括MIPS模拟器或类似的处理器架构工具，如WinMIPS64。实验还鼓励学生在x86系统上使用C语言编写矩阵乘法，通过perf工具分析分支预测失败次数，以加深对不同体系结构下分支预测行为的理解。 总结来说，这个实验覆盖了处理器架构的关键知识点，包括流水线、分支预测和循环优化，旨在帮助学生掌握如何利用这些技术提高程序的执行效率。通过实际操作，学生不仅能理论联系实际，还能培养解决问题和分析性能的能力。