基于windlx模拟器的流水线分析实验报告

1、基于windlx模拟器的流水线分析（做实验前请先认真阅读WinDLX教程）1 .用WinDLX模拟器执行下列三个程序（按照10位学号除3的余数选择）：求阶乘程序fact.s（余数为0）求最大公约数程序gcm.s（余数为1）求素数程序prim.s（余数为2）我的学号为2010011147所以我用的函数是：gcm.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,观察CPU中寄存器和存储器的内容。步进： tod>XXCEl 正ftttnhc：igariLMp'"-IMtiiUllZ-JbwLi-M.i)lJ(ii *eLm*HwJ HkiL-Mitw

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13、MOUnH注意：gcm.s中调用了input.s中的输入子程序。load程序时，要两个程序一起装入（都select后再点击load）。fact.s也是如此。在报告中：1.1 简单阐述程序的作用和运行原理作用：用WinDLX模拟器执行求最大公约数程序运行原理：这个程序说明浮点指令的使用。该程序从标准输入读入两个个整数，求其最大公约数，然后将结果存放在R2寄存器中。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。1.2 跟踪CPU中寄存器和存储器内容，把造成其内容发生变化的指令、操作涵义、变化情况（以截图体现）体现出来口 Cod.岫皿i侬 liGWii3Oi2M82iMX0H

14、I13D：M(blh>h«jgem烟“心Ml必如班仁40£&«P»KlnLWD aii ri.jij2际师 FrrtV*H 叩 IMttrU.rf：l.l>1(Hl?c- ftxQQQOQKe IHAR-ir-匚际口 EimA-ftlMMQQMn fi n fi fiB-藤> 口口口口口口口Rg，*Ci，率前IMOMHUm：O2l啊：Fiu S5-S3H 12面口赖"10切iwulUhmi：踪四Y毋帆Hy|EH J CsDDDDDOCia ETA- azDDDOOOOO AUJ ，QQMQQQ0 ALUH-：z>

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16、Oaa融2slOMoaaaaoDDF6-dKOOOOOOQQSZ3-OMUonac：DDF7-iiKftnnnnnnc口.4仙间的一：山FHDKDDoaoaaa3侬也肌二二MF9-DjiDoonaaaaOMQQaaQZ'DDF10-DkOOOOUOQOS27-UHonaaiioDDFil-iiKiniiiiniriii'：史Mll«lHlll«!.："l!n;-DKoooQoaaa3?Ei-Oxoaac:DF13-DJtD000ia29330*oaaaaQDDDFJ4-口仙口口皿皿口E31-UuMMUF15-Hrl 日?fl 12 3 1-5 6

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19、tructure_d.s,通过模拟：找出存在结构相关的指令对以及导致结构相关的部件；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。在报告中:2.1 分析并找出全部结构相关的指令、原因、流水线停顿截图、停顿时钟周期数（循环的只写一轮）adddI2J0724ddir2.i2.Qx8addic31130Kstelb乱叫2Addir2,r2,0x8;addir3,r3,0x8;subr5,r4,r2这三条指令和adddf2,f0,f2存在结构相关，其中addir2,r2,0x8这条指令停顿2个时钟周期，其余都停顿1

20、个时钟周期。2.2 分析并找出导致结构相关的部件答：存储数据和指令的存储部件。2.3 记录由结构相关引起的暂停时钟周期数、总执行周期数、计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比Statistics|口|X|Total:139Cycle$)CKecuted.IDexecutedby06Instruction,).2Instfuctiori(s)curteritlinPipeline.Hardwareconfiguration:Memorysize：32768Bybe喜(addEX-SUges:1.requiredCycles:2ffmulEXStages：1,requiredCjcle工5tdi

21、vEX-Stages:1,requiredCycles:13Forttardingenabled.StalIs:RAWstalls:30(21.59ofallCycles),thereof:LD31。(33酰ofRAWstalsBranch/Jumpstols:10(3133ofRAWMils)Floatingpointstalls:10(3333ofRAWstalls)WAWstalls口口0防cfall日刊Structuralsials:0«.00®IofallCyclesControl9(6.47ofallCycles)Trapstalls:3(216NofellCy

22、clesTotal.42SlB<s)(3a22£ofallCyclesConditionalBranches):Total：10(11.63ofallInstruction£Lthereoftaken:9(9d口口望ofallcond.Branches)nottaken:1(10.00ofallcondFranchesLoad-ZStore-Instructions:Totd:202126常ofalInstiuclionsLthereohLoads:20100.00ofLoad-/Store-1nstructions)Ti由结构相关引起的暂停周期数为：30总执行周期数

23、为：139暂停周期数占总执行周期数的百分比:21.58%2.4论述结构相关对CPU性能的影响，讨论解决结构相关的方法答：结构相关使相关指令在流水线上停滞，降低了执行效率。解决方法：在合理的指令调度范围内，尽量避免执行重复的指令。尽量避免同一寄存器的频繁使用，若无法避免，则使用寄存器的换名方法。3在不采用定向技术的情况下（去掉Configuration菜单中EnableForwarding选项前的勾选符），用WinDLX运行程序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。在报告中:3.1分析并写出全部数据相关的指令、原因

24、、流水线停顿截图、停顿时钟周期数（循环的只写一轮）加1,0刈oddr1j113先读后写r1,addr1,r1,r3停顿2个时钟周期。RSM|Wl：掌一一：IF|RSM|IDrMEM|WE先写后读r1,停顿2个时钟周期。addi151100K3先读后写r5,停顿2个时钟周期。addiiZjZMd$ubi4.r3r12先写后读r2,停顿2个时钟周期。subr413j2：bn&zr4JoDp先写后读r4,停顿2个时钟周期。|MEM|V/BIFIIDImER|MEM|WE|IFR-5|ID西|MEH|WBIFR，£EI|巾”-EMI3.2数据相关引起的暂停时钟周期总数、数占总执行周期

25、数的百分比程序执行的总时钟周期数、计算暂停时钟周期Statistics|口xTotal:202Cycle$)eMeoutedIDexecute>dby85Instrudionls).2Insfructianfs)currentlyinPipeline.Hardwarecontiguration:Memorysize:32768BytesfaddEX-Stages:LrequiredCycles:2JmulEX-Stages：1,requiredCycles：5fdivEX-St*gesi1,requiredCycles:19Forwardingdisabled.StalIs:RAW就自依

26、：104(5148S：ofallCycles)WAWMils:0(0.00ofallCycles)Structural$tals：0(0.00ofallCycles)Controlstells：9(4.4B5SofallCyclesTr叩幅Ik:3148笈ofallCycles)Totd:116SlaK>)(57.42%titallCycles)ConditionalBranches)：Total:10(11762ofallInstructions,thereoftaken:9(90.00ofallcondEranchesrottaken:1(10.00ofallcond.Branche

27、s)Load-/Store-1nstruetions:T匕I:30(3529ofallInstructions),thereof:Loads:20(66dLoadZStoreInstructions)Stores:10(33.33-ofLoad/StoreIn(stiuctions)Floatingpointstageinstructions:Total：0(0.00XofallInstructions),thereof:Additions：0(0.005；ofFloatingpointstagehstjhlulhplicatioriE：0(0.00ofFloatingpointstagein

28、承一)Divisions：C0.00%ofFloatingpointinst.)Traps;Traps:1(1.18%ofallInstructions)由结构相关引起的暂停周期数为：104总执行周期数为：202暂停周期数占总执行周期数的百分比：51.48%4 在采用定向技术的情况下（勾选EnableForwarding），用WinDLX再次运行程序data_d.s。重复上述2中的工作，并计算采用定向技术后性能提高的倍数。在报告中：4.1 分析并写出此时全部数据相关的指令、原因、流水线停顿截图、暂停时钟周期数（循环的只写一轮lwr10r2)IF IDMEMWBadd ri jl j3F | I

29、DMEM MEM WR先读后写r1,停顿r5,0x0（ii| I个时钟周期。IF I 口 I 田 MEM I WEaddi r5j5,0n4.q 0 -二| IdI MEMWB先读后写r5,停顿个时钟周期。bnezr4.loop：|IF珀图日ll|I口|HEX|MEM|朋|先写后读4,停顿1个时钟周期。4.2 数据相关引起的暂停时钟周期数、程序执行的总时钟周期数、计算采用定向技术后性能提高的倍数Statistic|口I*Total:128Cycle($)executedIDexecutedby85Instiuclion(乱2InstructioncurrentlyinPipeline.Hard

30、wareconfiguration:Memorysize:32766BytafddEX-Stages:1,requiredCycles:2ffnulEX-Stages:1,requiredCycles:5fdivEX-Stapes:1,requiredCpcles:19Forwardingenabled.Stalls：RAWstdlh:3Q(23.44ofallCyclesLtheieof:LDstalls:20(65.67ofRAW军归国Branch/Jumpitalk1033.33ofRAWstalls)Floatingpointstalls:0(0.00ofRAWstalls)WAWstals：0(000ofallCycle?)Structuralstalls:口(口.口口应ofallCycles)Controlstalls:9(703XofallCyclesTrapstalls：3(2.34ofallCycles)To