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模拟器的操作和使用，熟悉DLX指令集结构及其特点；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CPU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：WinDLX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，观察程序在流水线中的执行情况，

2、观察CPU中寄存器和存储器的内容。熟练掌握WinDLX的操作和使用。2 .用WinDLX运行程序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CPU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。在采用定向技术的情况下（勾

3、选EnableForwarding）,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Tot-zil:HE匚executed.IDexecutedby145Instructionh.2 Instructionfscurren

4、tinFpeiri已.Stalls:RAWstdk53阻4stofallCycles)WAWstalls;U口口口XofallCycles8truclural对als;0(0口口,ofalCycles)Controlstdb:Z5(1053ofalCycles)Trap*Uk;125.Q够ofallCycles)TqUI:90Stalls)(33.14allCycles)b.采用定向技术，我们得到的结果：Totil:215Cycle(slexecutedIDexecited.145lntruction(3)-2lrKtnjctionsjcurrenlipinPipeline.Stalls:RA

5、Vstails.1?7.91ofallCvcIesLthereofLDs(alk3C1Z65oFRAWslsBrrtth/Jumpstalls;317.E睽ofRAWMM*Floatingpointstalk11(G-70S；ofRAWdel亩WAWstalls:0(O.OOSofallCyclesShucluralsialb;0U口口总nfallCyclesControlstalls:25(11,632：ofallCycles)Trapstate:12(55喀ofdlCyclesTotal;54StalM匹1绘oUISclw)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Stat

6、istics窗口中的各种统计数字：总的周期数(215)和暂停数(17RAW,25Control,12Trap;54Total)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=1.098DLXforwarded比DLXnotforwarded快9.8%2 .数据相关先给出一个存在数据相关的程序：LHIR2,(A16)&0xFFFFADDUIR2,R2,A&0xFFFFLHIR3,(B16)&0xFFFFADDUIR3,R3,B&0xFFFFloop:LWR1,0(R2)ADDR1,R1

7、,R3SW0(R2),R1LWR5,0(R1)ADDIR5,R5,#10ADDIR2,R2,#4SUBR4,R3,R2BNEZR4,loopTRAP#0A: .word0,4,8,12,16,20,24,28,32,36B: .word9,8,7,6,5,4,3,2,1,0没有采用定向技术时运行该程序：得到Fotal;刘2Ccle(3)日旭皿t&dIDaiBCutecIby85|n&tivJctian(.C: Instruction(5)currenlljinPipeline.Stalls；RAWstalls:104(51.ofallCycles)WAWstalls:0(0.005allCyc

8、le?)Structuralstab：0口.口口尊ofalCycles)Contfd-34.461ofallCpctes)Trap对北：3(1.4鸣ofdlCyd?|Total：116$taHs(57.42ofallCycles程序执行了202个周期，10个数据相关引起的时钟周期RAWstall为104个。暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比二51.48%采用定向技术时运行该程序：得到Total:12BCcle(s)executedIDesecutedbyB5lnstfuc(ion4二lnstruchQn(3)currentinPipeline.Stalls;RAWztals:30(23.44

9、ofallCvcte5tthereof:L口stalls:20(E6.57ofRAW加阿BranehZJumpstalls:10132.32ofRAWstallsFloatingpoinJstalls:0J.00ofRAWEtalls)WAV/stalls:口肛。吐ofallCyd65)Structuralstalls:C(0.00ofallCycles)Controlstalls:9(.03ofallOgles)Trap黜Ik;二(Z34ofallCycle?)T口闫:42Gldl(s)(32.01cfallCycles)程序执行了128个周期，共有6个数据相关引起的时钟周期RAWstall

10、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ADDIR5,R5,1SUBIR4,R4,1ANDR3,R3,R3XORR7,R7,R7ADDIR8,R8,1ADDIR9,R9,1MULTR1,R5,R4MULTR2,R3,R7执行之后得到的clockcycleprogrameStatistics:：20。由同酬营必虱ID学。wtMby14InsbuctionkL5lr)箱电丽网。国作nWinPipeline,Stalls：RAWstals:0|口.口口之ofa

11、lCyclesJ,theieaF:LDstalls:0.侬OfRAWStalls)BranchAlunp芯国Ils:100ofFiAV/相图FlgiigpointOak0(000ofRAWftall$)WAV/stalls：0(0.00oFallCycles)Structijralstalls4(20.00ofalCycles：)Controlstalls:C(H口口考ofalCyclesIrgpstalk0(0,00ofMlCycle?Iotal:4Stall(s)(20DOofallCcleJ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

12、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CPU性能的改进。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，延迟时间都是3个时钟周期)(2)通过Confi

13、guration菜单中的Floatingpointstages”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(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

14、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Floatingpointstages”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sc

15、h_bef:.data.globalONEONE:.word1.text.globalmainmain:lff1,ONE;turndivfintoamovecvti2ff7,f1;bystoringinf71innopfloating-pointformatdivff1,f8,f7;moveY=(f8)intof1divff2,f9,f7;moveZ=(f9)intof2addff3,f1,f2divff10,f3,f7;movef3intoX=(f10)divff4,f11,f7;moveB=(f11)intof4divff5,f12,f7;moveC=(f12)intof5multff6,

16、f4,f5divff13,f6,f7;movef6intoA=(f13)Finish:trap0运行之后可以得到结果：Total:27executed.IDby13Instnjctiorf?).2lnrtruclion(s)cureritlpinPipeline.tells：RAWstalls:9(33.3葵ofaJICycles,thereof:LDstalk:1(11.morRAWstalbBranch/Jurrpstalls:0(0.00aFRAWstallsFloatingpointstdis:S(100.00ofRAWstalls)WAWstab;00,00%ofgcStructur

17、al式alls：0(D.OOZofdlCycles)Control期依0(000ofallCjjde5|Trap考值辰7(2532%ofelCycles)TdarE同伯卜tR口匕IJc知调度之后的程序sch_aft:.data.globalONEONE:.word1.text.globalmainmain:lff1,ONE;turndivfintoamovecvti2ff7,f1;bystoringinf71innopfloating-pointformatdivff1,f8,f7;moveY=(f8)intofldivff2,f9,f7;moveZ=(f9)intof2divff4,f11,

18、f7;moveB=(f11)intof4divff5,f12,f7;moveC=(f12)intof5addff3,f1,f2multff6,f4,f5divff10,f3,f7;movef3intoX=(f10)divff13,f6,f7;movef6intoA=(f13)Finish:trap0运行之后得到：Ictal:21Cydefs)eMDcdtsd.IDesiecUtedby121ristruGtionfs,2lrtEhuGlion(sjgwbti的inPipeline.Stalls;RA.W盘国M2(14.基窸otallCycles),thereof:LDstalls:1(33.3

19、3ofRAWstallsBrcnch/Jurnp标Q0.00抬MRAWstalsFloatingpointstalls;2(56.67ofRAW菩tdh)U/AWstalls：0(口口经ofallCyclesStructuralstalls:0(0,00SofallCycles)Controlstalls:00,005JQfdICycles)Trop就餐;6(28l57SofdlCE即Totl：9Stal(s|(42.SGUdlCycle可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,(A16)&0xFFFFADDUIR2,R2,A&

20、0xFFFFLHIR3,(B16)&0xFFFFADDUIR3,R3,B&0xFFFFADDUR4,R0,R3NOPloop:SUBIR4,R4,#8SUBR5,R4,R2BNEZR5,loopTRAP#0A: .double1,2,3,4B: .double1,2,3,4运行结果：Ij|Gtaiistics-回Total:却Cycled附曰guDDSKecjted13Instructiorfs)2lnsuction(5currentlyinPipeline.Hardwarecotifiguration:Memerysize:32763By心1,requiredUy2fmuEXtafles:L

21、rgquiredCycles：15fdivEX-Stafles:1,requiredCycles:19Forvrdinge门口bkdtsiis;R4Wstdfe;4(13.33&曲东0IheroNLDstalls;叮口叩原ofRAWstalls)Branch/Jumpstalls:4(100.00%ofRAWstalls)Floatingpoint书图k:0(0.00ofRAW北)VAWstalk0(O.mofallCyclesStructuralstalls-0(000tofallCjides)Contrailstalls-3(100苍ofdl卬d制7rapttails;3(10.00ofalCycles)Total：105旧厕6工33,ofallCycles)循环展开后的程序：LHIR2,(A16)&0xFFFFADDUIR2,R2,A&0xFFFFLHIR3,(B16)&0xFFFFADDUIR3,R3,B&0xFFFFADDUR4,R0,R3