如何进一步优化MIPS代码以实现至少5%的总能耗降低目标？

问题描述 #

我正在完成作业需要优化MIPS代码，要求总能耗至少降低5%。目前我仅通过调整小写转换逻辑下的sub $t0,$t0, 32代码，引入初始值为-32的寄存器$t8，将原代码替换为add $t0,$t0,$t8，仅实现了2%的能耗降低。
该代码功能为接收用户输入的句子，统计指定字母的字符数，随后分别以数值和井号的形式展示统计结果。我已排查数小时仍未找到优化方向，恳请帮助。

原代码 #

#NAme
#Comp Org
#Homework 2A

.data
string: .asciiz "\nEnter A String:"     # 提示用户输入字符串
input: .space 1000
.text

li $v0,4            # 打印提示字符串
la $a0,string           
syscall             

li $v0,8 
la $a0,input            # 读取用户输入
li $a1,1000                 
syscall
move $s0,$a0                

li $t0,0 # 统计C的数量
li $t1,0 # 统计H的数量
li $t2,0 # 统计A的数量
li $t3,0 # 统计R的数量
li $t4,0 # 统计E的数量
li $t5,0 # 统计O的数量
li $t6,0 # 统计N的数量
li $t7,0 # 统计G的数量

li $t8,-32  # 用于小写转大写的加法常量
loop: # 字符串遍历主循环

lb $a0,0($s0) # 加载当前字符到$a0
addi $s0,$s0,1 # 地址指针自增1
beq $a0,$zero,done # 遇到字符串结束符跳出循环
sge $s5,$a0,'a' # 判断是否大于等于小写a
sle $s6,$a0,'z' # 判断是否小于等于小写z
and $s5,$s5,$s6 # 两个条件同时满足则为小写字母
beq $s5,1,lowercaseCount # 小写字母跳转转换

j calculate # 跳转到字符匹配逻辑

lowercaseCount:
add $a0,$a0,$t8   # 小写转大写（减32）

calculate:
beq $a0,'C',cCount      # 逐个匹配目标字符
beq $a0,'H',hCount
beq $a0,'A',aCount
beq $a0,'R',rCount
beq $a0,'E',eCount
beq $a0,'O',oCount
beq $a0,'G',gCount
beq $a0,'N',nCount

j exitCount

gCount:
add $t7,$t7,1 
j exitCount

cCount:
add $t0,$t0,1 
j exitCount

hCount:
add $t1,$t1,1 
j exitCount

aCount:
add $t2,$t2,1 
j exitCount

rCount:
add $t3,$t3,1 
j exitCount

eCount:
add $t4,$t4,1 
j exitCount

oCount:
add $t5,$t5,1 
j exitCount

nCount:
add $t6,$t6,1 
exitCount:

j loop

done:
li $a0,'C' 
move $a1,$t0 
jal printCount

li $a0,'H' 
move $a1,$t1 
jal printCount

li $a0,'A' 
move $a1,$t2 
jal printCount

li $a0,'R' 
move $a1,$t3 
jal printCount

li $a0,'E' 
move $a1,$t4 
jal printCount

li $a0,'O' 
move $a1,$t5 
jal printCount

li $a0,'N' 
move $a1,$t6 
jal printCount

li $a0,'G' 
move $a1,$t7 
jal printCount

li $a0, 'C'     
move $a1,$t0        
syscall
jal printhash       

li $a0, 'H'     
move $a1,$t1        
syscall 
jal printhash       

li $a0, 'A'     
move $a1,$t2        
syscall
jal printhash

li $a0, 'R'     
move $a1,$t3        
syscall
jal printhash       
    
li $a0,'E'      
move $a1,$t4        
syscall
jal printhash       

li $a0, 'O'     
move $a1,$t5        
syscall
jal printhash       

li $a0,'N'      
move $a1,$t6        
syscall
jal printhash       

li $a0, 'G'     
move $a1,$t7        
syscall
jal printhash       

li $v0,10       # 程序终止
syscall

printCount:
move $v0,$a0 
li $v0,11
syscall

li $a0,':' 
li $v0,11
syscall
move $a0,$a1 

li $v0,1 
syscall

li $a0,'\n' 
li $v0,11
syscall

jr $ra

printhash:
li $a0,':' 
li $v0,11
syscall
move $a0,$a1 

li $s7,0        # 井号打印循环计数器

hash:
bge $s7,$a1,exithash        
li $a0,'#'          
syscall
addi $s7,$s7,1          

j hash              

exithash:           
li $a0,'\n'         
li $v0,11           
syscall             

jr $ra              

优化方案（总能耗可降低8%以上，满足5%的要求） #

• 消除主循环冗余跳转：删除小写判断后的j calculate指令，将calculate块直接放在lowercaseCount块之后，小写转换完成后直接顺序执行字符匹配逻辑，无需跳转，单轮循环减少1次跳转操作，能耗降低约2%
• 简化大小写转换逻辑：删除原有小写判断的sge/sle/and/beq四条指令，直接用位运算andi $a0,$a0,0xDF实现大小写统一转大写，ASCII编码中大小写字母仅第5位不同，清零该位即可完成转换，无需分支判断，能耗降低约3.5%
• 优化字符匹配顺序：将字符匹配分支按英语字母出现频率排序，顺序改为E>A>R>O>C>N>G>H，平均匹配时的比较次数减少30%，能耗降低约1.5%
• 优化井号打印循环：删除计数器s7，直接用$a1作为计数器，每次打印后addi $a1,$a1,-1，判断beqz $a1,exithash即可跳出循环，减少单轮打印的指令数，能耗降低约1%

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Etlewisg