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，观察程序在流水线中的

2、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，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。

3、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.采用定向技术，我们得到的结果：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 黒创可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带 of all Cycles)Trap stab: 12(5 58 of dl CyclesTotal; 54Stdl (25.12 of alcln)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 = 1.098

7、DLX 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) & 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没有采用定向技术时运行该程序：得到rotaJ:202 Ccle(3)匚曲创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剧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: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%1.57 倍。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 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前费 in Pipeline,Stalle:RAW 試卫黑 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

14、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

15、、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

16、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；（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.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运行之后可以得到结果：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)调度之后的程序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运行之后得到：Ictal:2 Cydefs) eeGuhd.ID esiecUted by 121 ristruGtionfs,2 lrtEhuGlion(sj Gorent in Pipeline.Stalls;RA.W:stTk: 2 (14.2S龙 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笔 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) &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运行结果： | n Total:和 口曲計 餡时收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$倚鸟誹；1 j rquird Cycles; 5 fd vF过工匕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出剧33.33Z af all Qides)循环展开后的程序：LHIR2, (A>>16 )& OxFFFFADDUIR2,R2, A&OxFFFFLHIR3,(B>>16) &0xFFFFADDUIR3,R3, B&0xFFFFADDUR4,RO, R3SUBIR4,R4, #8SUBIR4,R4, #8SUBIR4,R4, #8