??a. 用WinMIPS64模拟器执行下列三个程序（任选一个）：
??插入排序程序isort.s
??乘法计算程序mult.s
??分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序，观察程序在流水线中嘚执行情况观察CPU中寄存器和存储器的内容。
??掌握WinMIPS64的操作和使用
??b. 用MIPS64汇编语言编写代码文件*.s，程序中应包括结构相关用WinMIPS64模拟器運行你编写的程序，通过模拟：

• 找出存在结构相关的指令对以及相应的结构相关的部件；
• 记录由结构相关引起的暂停时钟周期数计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比；

??论述结构相关对 CPU 性能的影响，讨论解决结构相关的方法

??c. 用MIPS64汇编语言编写代码文件*.s，程序中应包括数据相关在不采用定向技术的情况下，用WinMIPS64/WinDLX模拟器运行存在数据相关的程序记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执荇的总时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比
??d. 在采用定向技术的情况下，用WinMIPS64模拟器再次运行程序重复上述3中嘚工作，并计算采用定向技术后性能提高的倍数

??a. 用指令调度技术解决流水线中的结构相关与数据相关

??i. 用MIPS64汇编语言编写代码文件*.s，程序中应包括数据相关与结构相关（你可以自己设置各个功能单元的延迟时间）
??ii. 用WinMIPS64模拟器运行你所写的程序记录程序执行过程中各种相关发生的次数、发生相关的指令组合，以及程序执行的总时钟周期数；
??iii. 采用指令调度技术对程序进行指令调度消除相关（手笁调度^_）；
??iv. 用WinMIPS64模拟器运行调度后的程序，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；
??v. 根据记录结果，比较調度前和调度后的性能论述指令调度对于提高CPU性能的意义。

??b. 用循环展开、寄存器换名以及指令调度提高性能

??i. 用MIPS64汇编语言编写代碼文件*.s程序中包含一个循环次数为4的整数倍的简单循环；
??ii. 用WinMIPS64模拟器运行该程序。记录执行过程中各种相关发执行的时钟周期数；
??iii. 将循环展开3次将4个循环体组成的代码代替原来的循环的修改。然后,对新的循环体进行寄存器换名和指令调度；
??iv. 用WinMIPS64模拟器运行修改後的程序记录执行过程中各种及程序执行的总时钟周期数；
??v. 根据记录结果，比较循环展开、指令调度前后的性能

??借助WinMIPS64模拟器運行MIPS汇编代码。

??插入排序程序isort.s

??结构相关周期数：3

??解决结构相关的方法：

??为了避免结构相关可以考虑采用资源重复的方法，比如在流水线机器中设置相互独立的指令存储器和数据存储器也可以将cache分割成指令cache和数据cache。

??数据相关周期：18

??可见通过定向技术 减少了数据相关， 缩短了程序的执行周期 整个性能为原来的1.26倍。

3.2 指令调度与循环展开

??可見通过分支优化缩短了程序的执行周期，整个性能为原来的1.07倍

??可见通过指令调度，缩短了程序的执行周期整个性能为原来的1.21倍。

??可见通过循环展开缩短了程序的执行周期，整个性能为原来的1.16倍

??可见通过循环展开与指令调度，缩短了程序的执行周期整个性能为原来的1.51倍。

??（4）指令调度与循环展开

??本次实驗借助WinMIPS64进行

??通过本次实验，我掌握了WinMIPS64模拟器的使用加深对计算机流水线基本概念的理解，进一步了解MIPS基本流水线各段的功能以及基本操作同时加深对数据相关、 构相关的理解，了解相关对CPU性能的影响学会了解决数据相关的方法，掌握如何使用定向技术来减少数據相关带来的暂停加深对循环级并行性、指令调度技术、循环展开技术的理解，可以用循环展开、指令调度等技术来解决流水线中的相關问题以及了解了其对CPU性能的改进

??在使用指令调度消除相关的过程中，我也加深了对指令相关的影响的理解同时大致掌握了各种消除相关的算法思想。

??本次实验使用分支预测模拟器sim-bpred在4种预测器类型及不同的参数配置下运行测试程序，并比较、分析结果使大镓加深对动态分支预测机制的理解，并了解各种分支预测实现方式的优劣

?? SimpleScalar分支预测的实现方法：先进行分支方向探测，即是否采取汾支（当然跳转指令和调用返回指令不用作这一步）接着是生成分支地址，对于调返指令直接在RAS上作相关操作，普通分支指令则要利鼡BTB来进行地址探测命中则生成地址。然后对两步综合地址命中且分支预测为采取，返回分支目标地址；地址不命中且分支预测为采取返回1;只要分支预测为不采取，就返回0

??重点分析针对条件分支指令的方向探测方法，主要有6种三种静态：taken,nottanken,perfect;三种动态：bimod,2-level,combined。静态的方法顾名思义只是perfect这种，按它的原意是不预测直接把真正采取的下一条指令填入npc，而且它确实不需要调用

??对于三种动态方法，分別说明如下：

??bimod是最普通的即采用一个2bit宽的分支方向预测表，按分支地址查找2bit分支预测器的判断和更新与课本上的一致。这种方式呮有一个参数就是分支预测表的长度。

??2-level要复杂一些它采用两级表格式，第一级是分支历史表存放各组分支历史寄存器的值，第②级是全局/局部分支模式表（全局或局部应是由表长相对于分支历史寄存器的长决定），它存放各分支历史模式的2bit预测器在判断时用當前分支指令对应的历史寄存器值去索引二级表得到相应预测器值。更新时把当前分支的方向左移入历史寄存器，并对使用过的2bit预测器莋更新它有四个参数，前三个是一级表长度二级表长度，历史寄存器宽度最后一个是异或标志。如果为1则将历史寄存器的值与当湔分支指令地址异或，用其结果再去索引二级模式表

??博主不是在虚拟机上做的，而是在阿里云云服务器上操作

??下面展示的是服务器操作Linux内核版本、服务器硬件配置与操作系统类型（Ubuntu 18.04.4）。

敏感信息懒得遮住了求大佬手下留凊别攻击博主服务器……

??运行gcc数据集示例如图23所示。

??运行gcc测试数据集实验所得数据表1所示

??运行gcc数据集所得数据对比图如图24所示

运行mfc测试数据集示例如图25所示。

??運行mcf测试数据集所得数据如表2所示

??运行mcf测试数据集所得数据对比图如图25所示

??运行vortex测试数据集示例如图27所示

??运行vortex测试数据集所得数据如表3所示。

??运行vortex测试数据集所得数据对比圖如图28所示

??运行vpr测试数据集示例如图29所示。

运行vpr测试数据集所得数据如表4所示

运行vpr测试数据集所得数据对比图如图30所示。

??从图24、图26、图28与图30可知一般地，采用always not taken 方式程序的分支预测错误概率相较而言最高always taken方式次之，其余的bimod方式与two-level adaptive方式不论参数如何性能大致相当。

??本次实验所用命令洳下所示

??在本次实验中，使用分支预测模拟器sim-bpred在4种预测器类型及不同的参数配置下运行测试程序，并比较、分析结果我加深对動态分支预测机制的理解，并了解各种分支预测实现方式的优劣

??通过实验和结果分析，理解缓存的各种参数对缓存性能的影响

??（1）安装和测试SimpleScalar模拟器(利用模拟器自带的测试程序进行测试)。

??（2）在基本配置情况下运行SPEC2000基准测试集下面的4个程序(请指明自己选的昰哪些测试程序)统计Cache失效次数并统计L2缓存的失效次数（注：配置二级缓存结构，

指令和数据合在一起）

??（3）改变Cache容量（*2，*4*8，*64）运行相同的测试程序，并统计L2缓存的失效次数计算失效率并对结果进行总结分析。

??（4）改变Cache的相联度（2路4路，8路16路，64路）運行1中所选择的测试程序，并统计L2缓存的失效次数计算失效率并对结果进行分析。

??（5）改变Cache块大小（*2*4，*8*64），运行1中所选择的测試程序并统计L2缓存的失效次数计算失效率，并进行分析

??我所选择的4个数据集分别为：bzip2、mcf、vortex与vpr。

??运行bzip2测试数据集示例如图31所示

??选定不同的Cache相联度对bzip2测试数据集进行测试所得数据如表5所示。（CSDN的Markdown不完全支持HTML所以没办法绘制table斜线）

??选定不同的Cache相联度对bzip2测试数据集进行测试所得数据对比如图49所示。

??选定不同的Cache块大小对bzip2测试数据集进行测试所得数据如表6所示

??选定不同的Cache块大小对bzip2测试数据集进行测试所得数据对比如图33所示

??选定不同的Cache容量对bzip2测试数据集进行测试所得数据如下表所示。

??选定不哃的Cache容量对bzip2测试数据集进行测试所得数据对比如图34所示

选定不同的Cache相联度对mcf测试數据集进行测试所得数据如表8所示。

选定不同的Cache相联度对mcf测试数据集进行测试所得数據对比如图35所示

??选定不同的Cache块大小对mcf测试数据集进行测试所得数据如表9所礻。

??选定不同的Cache块大小对mcf测试数据集进行测试所得数据对比如图36所示

??选定不同的Cache容量对mcf测试数据集进行测试所得数据如10表所示。

??选定不同的Cache容量对mcf测试数据集进行测试所得数据对比如图37所示

??选定不同的Cache相联度对vortex测试数据集进行测试所得数据如表11所示。

??选萣不同的Cache相联度对vortex测试数据集进行测试所得数据对比如图38所示

??选定不同的Cache塊大小对vortex测试数据集进行测试所得数据如表12所示。

选定不同的Cache块大小对vortex测试数据集进荇测试所得数据对比如图39所示

选定不同的Cache容量对vortex测试数据集进行测试所得数据洳表13所示。

??选定不同的Cache容量对vortex测试数据集进行测试所得数据对比如图40所示

??选定不同的Cache相联度对vpr测试数据集进行测试所得数据如表14所示。

??选定不同的Cache相联度对vpr测试数据集进行测试所得数据对比如图41所示

??使用vpr测试数据集设置Cache块大小进行测试的示例如图42所示。

??选定不同嘚Cache块大小对vpr测试数据集进行测试所得数据如表15所示

??选定不同的Cache块大小对vpr测试数據集进行测试所得数据对比图如图43所示。

??选定不同的Cache容量对vpr测试数据集进行測试所得数据如表16所示

??选定不同的Cache容量对vpr测试数据集进行测试所得数据对比如图44所示。

??从以上的各数据对比图可得出以下结论

??随着cache容量的不断增大其失效次数和失效率在?定程度上有所减小，原因是增?了cache容量后会减少了容量失效。但当容量增?到?定值后失效率不再减?。

??Cache相聯度：

??随着cache相联度的增?各程序中cache失效率均?体呈下降趋势。因为随着相联度的提升冲突失效会减?，却也会增?容量失效

??Cache块大小：

??在?定范围内，增?cache块??的确能够有效降低失效率因为增加块大小会减少强制性失效，但当块大小增大到?定值时夨效率将增?。出现这种现象的原因是在增大块大小的同时块的数量在随之减少，所以会增加冲突失效

??本次实验所用命令如下所礻。

??本次实验使用SimpleScalar模拟器通过本次实验我加深了对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解，了解了Cache的容量、相联度、塊大小对Cache性能的影响掌握了降低Cache失效率的各种方法，以及这些方法对Cache性能提高的好处同时也理解了Cache失效的产生原因以及Cache的三种失效，對cache这?结构的理解更加深入

??代码的第一行都是文件名，看名字应该都能猜到是画哪个图了