计算机系统结构试验报告

1、计算机系统结构实验报告.流水线中的相关实验目的：1. 熟练掌握WinDLX拟器的操作和使用，熟悉DLX旨令集结构及其特点；2. 加深对计算机流水线基本概念的理解；3. 进一步了解DLXi本流水线各段的功能以及基本操作；4. 加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对CPtfc能的影响；5. 了解解决数据相关的方法，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。 实验平台：WinDLX莫拟器实验内容和步骤：1. 用WinDLX莫拟器执行下列三个程序：求阶乘程序fact.s求最大公倍数程序gcm.s求素数程序prim.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的执行情况，

2、观察CP驴寄存器和存储器的内容。熟练掌握WinDLX勺操作和使用。2. 用WinDL炬行程序structure_d.s，通过模拟找出存在资源相关的指令对以及导致资源相关的部件；记录由资源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；论述资源相关对 CP畦能的影响，讨论解决资源相关的方法。3. 在不采用定向技术的情况下（去掉 Configuration 菜单中Enable Forwarding 选项前的勾选符），用WinDL/行程序data_d.s。记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的 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。在采用定向技术的情况下

3、（勾选Enable Forwarding ）,用WinDLX再次运行程序data_d.s。重复上述3中的工作，并计算采用定向技术后性能提高的倍数。1. 求阶乘程序用WinDLX模拟器执行求阶乘程序fact.s。这个程序说明浮点指令的使用。该程序从标准输入读入一个整数，求其阶乘，然后将结果输出。该程序中调用了input.s中的输入子程序，这个子程序用于读入正整数。实验结果：在载入fact.s和input.s之后，不设置任何断点运行。a不采用重新定向技术，我们得到的结果Total:236 Cycle（$ executed.ID executed by 145 In曲uctioM匐.2 In或ruc

4、tion司 currently in Pipeline.Stalls:RAW 漏II*: 5322.4牌 of dl Cycles)WAW stalls: 0 (0 00 of all Ccle?)Structural stalk 0 (OLDO of all QjcIbs)Control stah: 25 (1(159% of dl CdesjTrap stal£ 12 (5L08 of all Cycles)Total： 90 Stall国(3814X of all Cycles)b.采用定向技术，我们得到的结果：Total:215 Cycle(s) executed.ID ex

5、ecuted b> 145 In就ruction闰2 Instruction(s) current in Pipeline.Stalls:RAW stalk 1 ? (/.91 cf all Cycles), thereof:LD stalls: 3 (17.65X af RAW stallsBranch/Jump stall散 3 (17E5艺 of RAW 就戒Floating point stalls： 11 (64.70X of RAWWAW stalls: 0(0.00 of all Cycles)Structural 就ellw 0 0.00 of all 以I闵Contro

6、l stalk： 25 (11.63 oJ all CycledTrap stalk: 12 (5.58 of al CyclesTotal: 54 SUll(s) 25.12 of all Qdet)从上面的数据我们可以看出定向的作用：在定向技术存在的情况下Statistics窗口中的各种统计数字：总的周期数(215)和暂停数(17 RAW, 25 Control, 12 Trap; 54 Total)在定向技术不存在时候，控制暂停和 Trap暂停仍然是同样的值，而 RAW暂停从17 变成了 53,总的模拟周期数增加到236。所以定向技术带来的加速比：236 / 215 = 1.098DLX

7、 forwarded 比 DLX not forwarded 快 9.8%。2. 数据相关先给出一个存在数据相关的程序：LHI R2, (A>>16) & 0xFFFFADDUI R2, R2, A & 0xFFFFLHI R3, (B>>16)&0xFFFFADDUI R3, R3, B&0xFFFFloop: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没有采用定向技术时运行该程序：得到Fatal:202 Cicle($) executed.ID execLJled by EI5 Instruction(s).2 lnstruction(s currently in Pipeline.StalIs:RAW stalls: 104 (51 of g CyclesWAW stalls: 0 (0. 00 of all CyclesSUucUral stalls： 0 (J.OO of a

9、ll Cycles)Control stalls: 9 (4 4GSf of al Cycles)Trap stalls: 3 1.48% of all CyclesT otd： 11E； Stall(s) (57.42 of all Cycles程序执行了 202个周期，10个数据相关引起的时钟周期RAW stall为104个。暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比=51.48%采用定向技术时运行该程序：得到Total:128 Cycl&(s| executed.ID executed by 85 Instructionft2 ln$hu曲origj currently in Pipe

10、line.Stalls:RAW stalls: 30 23.44卷 of al Cycles), thereof:LD ttals: 20 6E67艺 of RAW st刑Bianch/Jump stalls 1033.3凝 of RAW stallsFloating point stals: 0 (0 00% of RAW 血IlsWAW stalls: 0 0 00 of all Cycles)Structural stale: 0 (0.00% of all Cycles)Control stalls: 9 7 03% of all Cycles)Trap 砒dh： 3 (2.34 oJ

11、 all CyclesTotal: 42 Stalls (32.91 % of al Cycles)程序执行了 128个周期，共有6个数据相关引起的时钟周期RAW stall为30个。暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比=23.44%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1.57倍。3. 结构相关下面这段程序存在结构相关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执行之后得到的 cloc

12、k cycle programeIrBlrucliare!：崩 | 也 | 一口 | 一旧 I 小 I 一日 I 一” I 小 I 一" I 丐 I 七 I 一， I $ I 丐 I I ； I 卫 I L °IIIIIIIIIIIIIIIIIIIaddi r5j5j&!- 匚匚匚Iubir4jW :|_ IF | I。MEM | /andr3j3j3:|F | ID | int£： | MEM | 3,hdfr7j7j?；| IF | ID MEH | 皿 |li'addi r«航 1:| IF | ID | ini| MEM | W

13、|addi 占航 1: IF | It) | in>£X | MEM | 巡白!mJtrl站H IF ID|ImulE网1J| MEH W厂mJ r2j3j?:| IF |_ 心 I$闭Ieu避 1j MEM | WEStatistics:1 口tail :20 Cycle($) eKecuted.ID executed by 14 Instructior(s).5 In就ructicirtB currently in Pipeline.Stalls:RAW 就前堂 0 (0.00 of JI Cycles, thereof:LD 迥临 0 (0 00 of RAW 敏a岫Br

14、anchAJump stJIs: 0 (Cl.Cl维 of RAW stallsFloating point stals: 0 (0.00% of RAW stallsWAW stalls: 0 (0 00 of alll CyclesStructural stalls: 4 (2CLOO% of all Cycles)_ iDntrol stalk: 0 皿00X of all Cycles)I rap 就alls： 0 (0 005； of all Cycles)T Qtal： 4 Sla峋(2(100您 of al Cycles)可见1个结构相关引起了4个stall,占总共20个CYCL

15、E 的20%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。二.循环展开及指令调度实验目的：1. 加深对循环级并行性、指令调度技术、循环展开技术以及寄存器换名技术的理解；2. 熟悉用指令调度技术来解决流水线中的数据相关的方法；3. 了解循环展开、指令调度等技术对CPIB能的改进。实验平台：WinDLX模拟器实验内容和步骤：1. 用指令调度技术解决流水线中的结构相关与数据相关(1) 用DLX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(假设：加法、乘法、除法部件各有2个，

16、延退时间都是3个时钟周期)(2) 通过Configuration菜单中的 Floating point stageS选项，把加法、乘法、除法部件的个数设置为2个，把延退都设置为3个时钟周期；(3) 用WinDLX运行程序。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；(4) 采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除相关；(5) 用WinDLX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；(6) 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性能的意义。2. 用循环展开、寄存器换名以及指令调度提高性能(

17、1) 用DLX汇编语言编写代码文件*.s，程序中包含一个循环次数为 4的整数倍的简单循环；(2) 用WinDLX运行该程序。记录执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数；(3) 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体，并对程序做相应的修改。然后对新的循环体进行寄存器换名和指令调度；(4) 用WinDLX运行修改后的程序，记录执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数；(5) 根据记录结果，比较循环展开、指令调度前后的性能。3)存在相关的程序1. 指令调度：首先，通过 Configuration菜单中的Floating point stages”选项，把

18、除法单元数设置为3,把加法、乘法、除法的延退设置为3个时钟周期。给出调度前的程序 sch_bef:.data.global ONEONE: .word 1.text.global mainmain:lf f1,ONE ;turn divf into a movecvti2f f7,f1 ;by storing in f7 1 innop ;floating-point 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 int

19、o X=(f10)divf f4,f11,f7 ;move B=(f11) into f4divf f5,f12,f7 ;move C=(f12) into f5multf f6,f4,f5divf f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13)Finish:trap 0运行之后可以得到结果：Total:27 Cicle(s) executed.ID executed by 12 lnshuction($._ lnstfuction|x currently in Pipelin已.Stalls:RAW 褊卜:9 (33.33% of all Cyclesl thereof：LD

20、 stdk 1 (11 11tof RAW stalls)Brnch/Jump stalls: 0 tJ.COZ of RAW stalk)Floating point stals: B (100.00 of RAW stallsWAW stls: 0 (0.00 of all Cycles)Structural 褊Ik： Q (0.00V of al CycledControl stals: 0 (0.00% of all Cyde#)T rap stalls: 7 (25.92 of all CydesTotal: 16Stall(s) (59.26 of dl Cycles)调度之后的程

21、序sch_aft:.data.global ONEONE: .word 1.text.global mainmain:lf f1,ONE ;turn divf into a movecvti2f f7,f1 ;by storing in f7 1 innop floating-point formatdivf f1,f8,f7 ;move Y=(f8) into f1divf f2,f9,f7 ;move Z=(f9) into f2divf f4,f11,f7 ;move B=(f11) into f4divf f5,f12,f7 ;move C=(f12) into f5addf f3,f

22、1,f2multf f6,f4,f5divf f10,f3,f7 ;move f3 into X=(f10)divf f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13)Finish:trap 0运行之后得到：Total21 CvcIb(s) executed.ID executed by 12 Instruction($).2 Instruction(s) currently in Pipeline.StalIs:RAW stalls: 3 (14.28 of al Cvcles), lher?oJ:LD stalls： 1 (33 33 of RAW stalkBfanch/Ju

23、mp stale: 0 (0.00% of RAW sialsFloating point s沽Ils： 2 (66.67 of RAW stalls)WAW stalls: 0 (0.00 all CyclesStiuctural stale 0 0.0口在 of all Cycles)Control stalls: Cl (0.00 of all CyclesTrap state: 6 (29157X of all CydeTold: 9 Stdh) (42.BG% of all Cycles)可以看出经过调度之后运行周期从27减少到21,而且减少了相关。2. 循环展开：循环展开前的程序：

24、LHI R2, (A>>16)&0xFFFFADDUIR2, R2, A&0xFFFFLHIR3, (B>>16)&0xFFFFADDUIR3, R3, B&0xFFFFADDUR4, R0, R3NOPloop:SUBIR4,R4, #8SUBR5,R4, R2BNEZ R5, loopTRAP#0A:.double 1,2, 3, 4B:.double 1,2, 3, 4运行结果：Statistics- I ITotal:30 Cyclefs executed.ID executed 19 lndruclior(t).2 lnstru

25、ctian($j currently in Pipeline,Hardware configuration:Memory size: 3276S BytesfaddEX-Stages： L required Cycles： 2 fmulEX-S tapes: L required Cycles: 5 tdivEX-Stages: L required Cycles: 13 Forwarding enabled.Stalis:RAW stalls： 4 13 33% of all Cycles), thereof： LD stalls: 0(0. m of RAW stalls) Brarich

26、ZJump stalls: 4 100.00% d RAW slalh Floating point stals: 0 (0.00 of RAW steh)WAW shlls: 0 (O OQS： of ell CycledStructural stalls： 0 (0.00 of all CyclesControl stalk 3 10.00 of al Cycles)Trap sUlls: 3 (10L0OX of all Cycles)T otal: 1033.33 of al Cycles)循环展开后的程序：LHIR2, (A>>16)&0xFFFFADDUIR2, R2, A&0xFFFFLHIR3, (B>>16)&0xFFFFADDUIR3, R3, B&0xFFFFADDUR4, R0, R3SUBIR4, R4, #8SUBIR4, R4, #8