1、計算機系統結構實驗報告一. 流水線中的相關實驗目的：1. 熟練掌握WinDLX莫擬器的操作和使用，熟悉 DLX旨令集結構及其特點；2. 加深對計算機流水線基本概念的理解；3. 進一步了解DLX基本流水線各段的功能以及基本操作；4. 加深對數據相關、結構相關的理解，了解這兩類相關對CPI性能的影響；5. 了解解決數據相關的方法，掌握如何使用定向技術來減少數據相關帶來的暫停。 實驗平臺：Win DLX模 擬器實驗內容和步驟：1. 用WinDLX模擬器執行下列三個程序：求階乘程序fact.s求最大公倍數程序gcm.s求素數程序prim.s分別以步進、連續、設置斷點的方式運行程序，觀察程序在流水線中的

2、執行情況，觀察CPI中寄存器和存儲器的內容。熟練掌握Win DLX勺操作和使用。2. 用WinDLX!行程序structure_d.s，通過模擬找出存在資源相關的指令對以及導致資源相關的部件；記錄由資源相關引起的暫停時鐘周期數，計算暫停時鐘周期數占總執行周期數的百分比；論述資源相關對 CPI性能的影響，討論解決資源相關的方法。3. 在不采用定向技術的情況下（去掉 Configuration 菜單中Enable Forwarding 選項前的勾 選符），用WinDLX!行程序data_d.s。記錄數據相關引起的暫停時鐘周期數以及程序執行的 總時鐘周期數，計算暫停時鐘周期數占總執行周期數的百分比。

3、在采用定向技術的情況下（勾選Enable Forwarding ），用WinDLX再次運行程序data_d.&重復上述3中的工作，并計算采用定向技術后性能提高的倍數。1. 求階乘程序用WinDLX模擬器執行求階乘程序fact.s。這個程序說明浮點指令的使用。該程序從標準輸入讀入一個整數，求其階乘，然后將結果輸出。該程序中調用了input.s中的輸入子程序，這個子程序用于讀入正整數。實驗結果：在載入fact.s和input.s之后，不設置任何斷點運行。a不采用重新定向技術，我們得到的結果Tot.ziL :出E Cj«le（s） executed.ID executed bji

4、145 Instructionh.Z Instructionfs currently iri Ppeine.Stalls:RAV etdlsc 53 (22.46 of dll Cycles)WAW stalls: a(100 of all CyclesStruciural 琥alls: n(o riox of all Cjnles)Control 茨日Is; Z5 (10.59 of all CjclesjT 卿 lUfc; 12(50瞬廿#1 Cycle?)To怙I： 90 SUIJ p8Ll 機 of all Cyclesb.采用定向技術，我們得到的結果：Totil:215Cyck(sl

5、 executedID execited R145 In5truction(3)-2 lrKtnjctionsj currenlip in Pipeline.Stalls:RAVstails. 1 ? (7.91 of all Cycles, thereofLD 3tah;3n7.GofRAWtldls)Brrtth/Jump stalls: 3 17.G5 of RAW 黒創可Fbafrx) point state: 11 (G- 70X of RAW 泅由WAW stalls: 0 (O.OOS of all CyclesShuclural si a lb; 0 (mJOcF all Cy

6、clesControl stalls: 25 (11,63帶 of all Cycles)Trap stab: 12(5 58 of dl CyclesTotal; 54Stdl (25.12 of alcln)從上面的數據我們可以看出定向的作用：在定向技術存在的情況下Statistics窗口中的各種統計數字：總的周期數(215)和暫停數(17 RAW, 25 Control, 12 Trap; 54 Total)在定向技術不存在時候，控制暫停和Trap暫停仍然是同樣的值，而RAW 暫停從17變成了 53,總的模擬周期數增加到236。所以定向技術帶來的加速比：236 / 215 = 1.098

7、DLX forwarded 比 DLX not forwarded 快 9.8%。2數據相關先給出一個存在數據相關的程序：LHI R2, (A>>16) & OxFFFFADDUI R2, R2, A & OxFFFFLHI R3, (B>>16)&0xFFFFADDUI R3, R3, B&OxFFFFloop:LW R1,0 (R2)ADD R1, R1, R3SW 0(R2), R1LW R5, 0 (R1)ADDI R5, R5, #10ADDI R2, R2, #4SUB R4, R3, R2BNEZ R4, loopTRAP

8、#0A: .word 0, 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32, 36B: .word 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1,0沒有采用定向技術時運行該程序：得到rotaJ:202 Ccle(3)匚曲創4d,ID BMSCuted by 85 Instmclionjsl2 I nstr uctio n(5)cu rrenllj in Pipeline.StaIls :RAW stalls: 104- (51.of all Cycles) WAW stalls: 0 (0.00 °F all Cycle?) Structural stab： 0 (O

9、.OD of al 口匚le劇Control stalls: 3 4.46工 of al l Cpctes)T rap 狀剖第 3 (1.43 of dl Cyd?|Total： 116 Stalls |57.4K of all Cycles程序執行了 202個周期，10個數據相關引起的時鐘周期RAW stall為104個。暫停時鐘周期數占總執行周期數的百分比=51.48%采用定向技術時運行該程序：得到Total:12BCcle(s) executed.ID esecuted by B5 Irstfuctionfs).lnstruchQn(3)current in Pipeline.Stall

10、s；RAW ztals: 30 (23.44£ of allthereof:LO stalls: 20 (6S.67oF H閉V 曲闊BranehZJ ump stalls: 1 0 132.32 of RAW stalls Floating point stalls: 0 J.00 of RAW Etalls)WAV/ stalls: |0 0(1 of all Cycle?)Structural stalls:匚(0.00 of all Cycles)Control stalls: 9 (7。炎 of all Cycles)Trap stalk;；匸34玄 of all Cycl

11、e?)ToUl： 42Stalls) (32.61cf all Cycles)程序執行了 128個周期，共有6個數據相關引起的時鐘周期RAW stall為30個。暫停時鐘周期數占總執行周期數的百分比=23.44%1.57 倍。可見通過定向技術，減少了數據相關，縮短了程序的執行周期，整個性能為原來的3結構相關 下面這段程序存在結構相關ADDI R5, R5, 1SUBI R4, R4, 1AND R3, R3, R3XOR R7, R7, R7ADDI R8, R8, 1ADDI R9, R9, 1MULT R1,R5,R4MULT R2,R3,R7執行之后得到的 clock cycle pro

12、grame柑.口 J Je rFjTj?adcirS.Odddiiy/U.Udmut rl5.iZvukrirl.r?卜 | ID"I m 晟Statistics:2ZJ.；20utfUGidID executed by 1lns(MGori(s|b5 lr)ftruct>an(¥j gum前費 in Pipeline,Stalle:RAW 試衛黑 0 |0.00 of al CycleJy theieoLLD stalls： 0 (OLOOSJ cf RAW stalkErarichAJimrip 吻mils: HDD殳 of RAW* 址mil到Floatrig

13、point stalls (0.00 of RAW Stals)WAV/ stalls： 0 (0,00 of all CydesIStruclmd alk 4 20.00% of all Cycles)Cbnfrd 刖辰 0 0 00 of all CyclesTrap sJalls: 0(0.00玄 of all CyclesTotal： 4 Stalljsj (23.00 of all CcleJ可見1個結構相關引起了4個stall，占總共20個CYCLE的20%為了避免結構相關，可以考慮采用資源重復的方法，比如，在流水線機器中設置相互獨立的指令存儲器和數據存儲器，也可以將CACHE分割

14、成指令CACHE和數據CACHE。二. 循環展開及指令調度實驗目的：1. 加深對循環級并行性、指令調度技術、循環展開技術以及寄存器換名技術的理解；2. 熟悉用指令調度技術來解決流水線中的數據相關的方法；3. 了解循環展開、指令調度等技術對CPI性能的改進。實驗平臺：WinDLX模擬器實驗內容和步驟：1 用指令調度技術解決流水線中的結構相關與數據相關(1 )用DLX匯編語言編寫代碼文件*.s，程序中應包括數據相關與結構相關(假設：加法、 乘法、除法部件各有2個，延遲時間都是3個時鐘周期)(2) 通過Configuration菜單中的Floating point stages ”選項，把加法、乘法

15、、除法部件的 個數設置為2個，把延遲都設置為3個時鐘周期；(3) 用如"DLX運行程序。記錄程序執行過程中各種相關發生的次數、發生相關的指令組 合，以及程序執行的總時鐘周期數；(4) 采用指令調度技術對程序進行指令調度，消除相關；(5運行調度后的程序，觀察程序在流水線中的執行情況，記錄程序執行的總時鐘周期數；（6）根據記錄結果，比較調度前和調度后的性能。論述指令調度對于提高 CPU性能的意義。2. 用循環展開、寄存器換名以及指令調度提高性能（1 ）用DLX匯編語言編寫代碼文件*.s,程序中包含一個循環次數為 4的整數倍的簡單循環；（2運行該程序。記錄執行過程中各種相關發生的次數以及程

16、序執行的總時鐘 周期數；（3）將循環展開3次，將4個循環體組成的代碼代替原來的循環體，并對程序做相應的修改。然后對新的循環體進行寄存器換名和指令調度；（4運行修改后的程序，記錄執行過程中各種相關發生的次數以及程序執行的 總時鐘周期數；（5）根據記錄結果，比較循環展開、指令調度前后的性能。3）存在相關的程序1指令調度：首先，通過 Configuration菜單中的 白oating point stages"選項，把除法單元數設置為 3,把 加法、乘法、除法的延遲設置為3個時鐘周期。給出調度前的程序 sch_bef:.data.global ONEONE: .word 1.text.gl

17、obal mai nmain:lf f1,ONE ;turn divf into a movecvti2f f7,f1 ;by stori ng in f7 1 innop ;float in g-po int formatdivf f1,f8,f7 ;move Y=(f8) into f1divf f2,f9,f7 ;move Z=(f9) into f2addf f3,f1,f2divf f10,f3,f7 ;move f3 into X=(f10)divf f4,f11,f7 ;move B=(f11) into f4divf f5,f12,f7 ;move C=(f12) into f

18、5multf f6,f4,f5divf f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13)Fi nish:trap 0運行之后可以得到結果：Total:27executed.ID wsciJed by 12 ln$buctiori(l2 lnr£truclion(s) cureritlp in Pipeline.tells:RAW stalls: 9 33.33 M aJI Cycles, thereof:LD stalls: 1 (ll.inor RAW stalk Branch/Jump stalls: 0 (0.00 aF RAW stallsFloating po

19、int st dis: S (100.00 of RAW stalls) WAW stab: 0 (0.00 of all Cycles)S tructural 曲紙 0 (D.OOZ of all Cycles) Control stalls： 0 (0 00 of all Cjjde$|Trap stale; 7 (25.32% of el Cycles)Total: 16 Stales (E9 of dl Cycles)調度之后的程序sch_aft:.data.global ONE ONE: .word 1 .text .global mai n main: lf f1,ONE ;tur

20、n divf into a move cvti2f f7,f1 ;by stori ng in f7 1 in nop ;float in g-po int format divf f1,f8,f7 ;move Y=(f8) into f1 divf f2,f9,f7 ;move Z=(f9) into f2 divf f4,f11,f7 ;move B=(f11) into f4 divf f5,f12,f7 ;move C=(f12) into f5 addf f3,f1,f2 multf f6,f4,f5 divf f10,f3,f7 ;move f3 into X=(f10) divf

21、 f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13) Fi nish: trap 0運行之后得到：Ictal:2 Cydefs) eeGuhd.ID esiecUted by 121 ristruGtionfs,2 lrtEhuGlion(sj Gorent in Pipeline.Stalls;RA.W:stTk: 2 (14.2S龍 ot all Cycles), thereof: LD stalls: 1 (33.33 of RAW stalls BrcrcIVJurnp wtals; 0 (0.00 nt RAW stals Floating point stalls; 2

22、 (56.67 of RAW 京dh)U/AW stalls： 0 ( 00 of all Cycles Structural stalls: 0 (0,00筆 of all Cycles Control stalls: 0 0.005J of al Cycles)T rap g矗:6 (28i57S of ( C屈詢 Total； 9 Gtals)(42of all Qyctes可以看出經過調度之后運行周期從27減少到21，而且減少了相關。2循環展開：循環展開前的程序：LHIR2, (A>>16) &0xFFFFADDUIR2, R2, A&0xFFFFLHIR3

23、, (B>>16) &0xFFFFADDUIR3, R3, B&0xFFFFADDUR4, R0, R3NOPloop:SUBIR4, R4, #8SUBR5, R4, R2BNEZR5, loopTRAP#0A:.double 1,2, 3, 4B:.double 1,2, 3, 4運行結果： | n Total:和 口曲計 餡時收d-ID executed by 19 Instrucliors)2 Iristfuctionfs cuirantl in PipelineHardware centlguTation:Wemcr size: 327G0 Bptes h

24、ddEXkges: 1 requirerl 匚clles: Z fnulE冷$倚鳥誹；1 j rquird Cycles; 5 fd vF過工匕qi- ' . rpqi jirdyT-” 一 匚 Forwarding enabled.Stalls;RAW 泅尿 4 (13.33 of all Cycles, thereofLD ctah: 0(0 OIK tif HAW rtahBronchXJump stalls: 4(100 00% of RAW stalls) Floating paint stJIs; 0 (0.00 of RAW stalsVAW stalk 0 (O.m o

25、f all Cyclles)Structural stalls: 0(p.00% of all Cycles Corlrol 注罠 3 (10.00 of el Trap stalls- 3 卩 0.003J of al Cycles) Total-10 St出劇33.33Z af all Qides)循環展開后的程序：LHIR2, (A>>16 )& OxFFFFADDUIR2,R2, A&OxFFFFLHIR3,(B>>16) &0xFFFFADDUIR3,R3, B&0xFFFFADDUR4,RO, R3SUBIR4,R4, #8SUBIR4,R4, #8SUBIR4,R4, #8