计算机系统结构实验报告

1、计算机系统结构实验报告一. 流水线中的相关实验目的：1. 熟练掌握 WinDLX 莫拟器的操作和使用，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 DLX 基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CPI 性能的影响；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：Win DLX 模 拟器实验内容和步骤：1.用 WinDLX 模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

2、序在流水线中的执行情况，观察CPI 中寄存器和存储器的内容。熟练掌握Win DLX 勺操作和使用。2.用 WinDLX! 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CPI 性能的影响，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 WinDLX!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

3、数占总执行周期数的百分比。在采用定向技术的情况下( 勾选 Enable Forwarding) ，用 WinDLX 再次运行程序 data_d.& 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 :Cycle($ execut

4、ed.ID executed bp145 lnshuctiori($)-2 Instruction(s) currentlyin Pipeline.叮叮小文库Stalls :RAW 泅 Is: 53 (22.46 of all Cycles)WAW stalls:0 (0. 00 of all Ccle)Stiucturalstalk 0 (OLDO of all CyclesControl stalls:25 (1(159%of dl CdesjTrap stals 12 5L08of all Cycles)Total ： 90 Stall(s) (30 14 of all Cycles)b

5、.采用定向技术，我们得到的结果：Total :21 5 Cycle(s) executedID ewecuted by145 lnebuclion(*).2 Instruction(s) currentin Pipeline.Stalls:RAW stalk 1 ? (/.91 cf all Cycles), thereof:LD stalls: 3 (17.65X of RAW stallsBranch/Jump3 (17.65 of RAW stdhFloating pointstalls ： 11(64.70 當 of RAWWAW stalls:0 (0.00 of all Cycle

6、s)Slructural wtallw:0 O.CO of all Cycles)Control stalls ： 25 (11.63 ot all CycledTrap stalls: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

7、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 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, R

8、5, #10ADDI R2, R2, #4SUB R4, R3, R2BNEZ R4, loopTRAP #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：得到欢迎有需要的朋友下载！2叮叮小文库rotal :202 Cicle($) executed.ID execLJled byEI5 Instruction(s).2 lnstruction(s currentlyin Pipeline.StalIs :RAW 紡瞳 104 (51 4 眈 af a

9、ll CdesWAW atolls:0 (0.00 of all CyclesStructural 躺 11$ ： 0 (J.OO of all Cycles)Contirol stalls:9 (4 4E 蛊 of al Cycles)Trap stak:3 (1 .48% of all CyclesTo 怕 I： 116 Stall(s) (57.42 of oil 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:12S Cycle$) e

10、xecutedID executed by 85 Iri2hruction(s).2 Inskuctionbi cuirentlyin Pipeline.Stalls:RAWstk 30(23.443 ： dal Cycles), thereofLD 站憑 : 20 (66.67of RAW 期 lg) BranchZJump stalls:1D (33.33 of RAW 奴 all$Floating point stall： 0 (0.00 of RAW sials)WAW slab:0 (0 00 d all Cycles)Structural stalls0 (0 00 of al C

11、ycles)Cortral stalls: 9 (/.03 of cill Cycles)Tiap stalls-3 (2.34 of all ClesTotal: 42 Stal|s) (J2.81 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

12、, R7ADDI R8, R8, 1ADDI R9, R9, 1MULT R1,R5,R4MULT R2,R3,R7执行之后得到的clock cycle programeIrBlrucliare/ ?1 阴: -旧卜日丨 " II 一" tI 巳厂 “I°t 舟卜电 I " I * t * r 彳 r 彳 I 彳 II addi 石托血 1|IF |IDBErrMEMTB|IsubirlAjOH：|_ IF | ID EX* MEM | WPand r3j3j3:| IF | ID | inl V | MEM |nor r7j7j?:| 1 卜 | ID

13、 L ” s |z ili'addi r? 油血 1:| IF | ID | iiw | MEM | VJE |addi 占油血 1: IF | ID | in 段 | MEM |卫鸟!rrdt rlj5j4?|_ L 血imulE 凶 1J|MEM W厂rrdt r2j3j?:IFID_|丸 MEM V/Eimu 1欢迎有需要的朋友下载！3叮叮小文库Statistics:total :20 Cycle($) eKecuted.ID executed14 Instructior(s).5 lntruction($) currentlvin Pipeline.Stalls:RAW sta

14、lls:0 (0.00 of all Cycles,thereof:LD shlls: 0(0.00 d RAW stalls)BranchAlump stalls： 0 (0 00 of RAW 咖 ll$Floating pointstalls: 0 (0L0DSof RAW stalls)WAW stalls0 0.00S ； d all Cycles)Structural 旳胚： 4 (20.00 of all Cycles)Control stalk:Q (0 00 of al Cycles)Trp stalls: 0 (0.00 of all Cycles)I' otal:

15、 4 StaKsJ 20.00 of all Cycles)可见 1 个结构相关引起了4 个 stall ，占总共 20 个 CYCLE 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CPI 性能的改进。实验平台：WinDLX 模拟器欢迎有需要的朋友下载！4叮叮小

16、文库实验内容和步骤：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，延迟时间都是 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，把延迟都设置为 3 个时钟周期；(3)用如 " DLX 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

17、 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（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

18、；（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 菜单中的白 oating point stages"选项，把除法单元数设置为3, 把加法、乘法、除法的延迟设置为3 个时钟周期。给出调度前的程序sch_bef:.data.global ONEONE: .word 1.text.global mai nmain:lf f1,ONE ;turn divf into a movecvti2f f7,f1 ;by stori ng in f7 1 innop ;float in g-po int formatdiv

19、f 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 f5multf f6,f4,f5divf f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13)Fi nish:欢迎有需要的朋友下载！5叮叮小文库trap 0运行之后可以得到结果：Total :27 Cicle(s) exe

20、cuted.ID executed by12 lnshuction($._ lnstfuction|x currently in Pipeline.Stalls :RAW stalls:9 (33. 33 鬼 of all Cycles thereof:LD 治陆1 (11 1Uof RAW stalls)Branch Alump stalls: 0 0.00 龛 of RAW stals)Floatirg pointstalls: 8 1 QQlOOSfof RAW stals)WAW stalls ： 0 (0.003 ： of all CvcIeJStructural如 Ils ： 0

21、(0.00 of all CycledConlrd stalls: 0 (0.00X of dl Cydes)Trap dale 1 (25L92% of dl 匚 yck 制Total: l6Stall(s) (59.26 of all Cycles调度之后的程序sch_aft:.data.global ONEONE: .word 1.text.global 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,

22、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,f1,f2multf f6,f4,f5divf f10,f3,f7 ;move f3 into X=(f10)divf f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13)Fi nish:trap 0运行之后得到：'lota 丄21 CVC IB(S) executed.ID executed by12 I

23、nstruction($).2 Instruction(s) currentlyin Pipeline.StalIs:RAW 献 alb: 3 (14.2QK of al Cycles), lhereaf:LD stalk 1 (33 33 of RAW stalkBranch/Jump stak:0 (0.00% of RAW sialsFloating point sldk2 旧 6.67W of RAW stalls)WAW stalls: 0 (0 00 nF all CyclesStiuctural stalls:0 (0. 30S of all CyclesControl stal

24、ls:Cl (0.00 of all CyclesTrap stab:E (29157Xof dl CycledTotal: 9 Stdb) (42.BG% of all Cycles)欢迎有需要的朋友下载！6叮叮小文库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：LHIR2, (A>>16 )& OxFFFFADDUIR2, R2, A&0xFFFFLHIR3, (B>>16) &0xFFFFADDUIR3, R3, B&0xFFFFADDUR4, R0, R3NOPloop:SUB

25、IR4, R4, #8SUBR5, R4, R2BNEZR5, loopTRAP #0A: .double 1,2, 3, 4B: .double 1,2, 3, 4运行结果：Statistics一|Total :30 Cycled ecuted.ID executed bvI9ln$truction($).2 Instruction(s) currentlynn Pipeline.Hardware conf iguration:Memory size: 32768 Bytes faddEX-Stages: 1“required Cycles: 2 fmulEX-Shges: L requir

26、ed C>cle$: 5 fdivEX-Stagec: 1, required Cycles ： 19 Forwarding enabled.Stalls:RAW sC 4 (1333 需 of all Cycles), thereof:LD stalls: 0 (0.00 of RAW stalls)Branch/Jump stalls： 4 (100. 00% of RAW ttek)Floating point stals:0 (0. 00 of RAW stall)WAW stalls0 D O 號 of all Cycles) Strudurd stalls:L (0 00K of all CycledControl tta*3(10.00 of al Cycles) Trap stalls; 3(1O OOX of all Cycles) Total: 10 Stall(s) (33.33 of all Cycles)循环展开后的程序 :LHIR2, (A>>16 )& OxFFFFADDUIR2, R2, A&OxFFFFLHIR3, (B>>16) &0xFFFFADDUIR3, R3, B&0xFFFFADDUR4, R0, R3SUBIR4,R4, #8SUBIR4,R4, #8欢迎有需要