循环展开及指令调度

1、循环展开及指令调度实验项目名称实验目的及要求实验内容循环展开及指令调度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；熟悉用指令调度技术来解决流水线中的数据相关的方法；了解循环展开、指令调度等技术对 CPU性能的改进。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 MIPS 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

2、 个时钟周期；3） 用 winMIPS64 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 winMIPS64 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。用循环展开、寄存器换名以及指令调度提高性能1） 用 MIPS 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 winMIPS64 运行该程序。记录执行过程中各种相关发生的

3、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 winMIPS64 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。1用指令调度技术解决流水线中的结构相关与数据相关代 码：divff2,f5,f6divff1,f2,f6实验步divff3,f1,f5骤divff0,f4,f7addff14,f0,f6addff15,f5,f7multff20,f4,f6multff21,f5,f72

4、）设置运算部件个数以及运算时钟周期数图 1图2.Pipeline 图以下为出现的数据相关图 3先写后读相关图 4由于只有两个除法部件，所以出现了功能部件的冲突。 总的执行周期是 38 指令调度后代码：将无关指令放在一起执行，相关指令分开尽量避免数据相关divf f2,f5,f6multf f20,f4,f6multf f21,f5,f7divf f1,f2,f6addf f15,f5,f7divf f3,f1,f5divf f0,f4,f7addf f14,f0,f6图 5.Pipeline 图图 6.Statistics 图总执行时钟周期为 35 个。6）指令调度后，数据相关减少了，总时钟周

5、期数减少了，效能提高了。调度前的时钟周期数为 38，调度后的时钟周期数减少为 35，加速比 = 38/35= 1.08用循环展开、寄存器换名以及指令调度提高性能带循环指令代码：求四个1 相加的和，结果存在r2 中.text.global mainmain:addi r1,r0,#4addi r2,r0,#0Loop: sgt r3,r1,r0bnez r3,Sub1trap 0 Sub1:addi r2,r2,#1subi r1,r1,#1j Loop结果：总时钟周期是 42 个， 5 raw stalls, 循环了 4 次，结果 r2 =4图 7循环展开：代码：.text.global ma

6、inmain:addi r1,r0,#4addi r2,r0,#0addi r2,r2,#1subi r1,r1,#1addi r2,r2,#1subi r1,r1,#1addi r2,r2,#1subi r1,r1,#1addi r2,r2,#1subi r1,r1,#1trap 0结果：总时钟周期是 15 个，0 raw stalls, 执行了 4 次，结果 r2 = 4图8原因的对比：是因为 LOOP 指令执行完后会有一个 nop 指令的延迟。图 9多 Cache 一致性：实验目的1、加深对多 CACHE 一致性的理解。2、进一步掌握解决多CACHE 一致性的目录协议和监听协议的基本思想

7、。3、掌握在各种情况下，目录协议和监听协议是如何工作的。给出进行操作的类型以及 CACHE 块状态的变化情况模拟器使用方法简介（目录式）该模拟器模拟 4 个 CPU（A 、B、C、D）访存的工作过程。每个 CPU 中都有一个 Cache，该 Cache 包含有 4 个块，其块地址为 0-3。分布式存储器中有 32 个块，其块地址为 0-31。每个块状态用色块表示，其中灰色为“无效”状态，淡青色为“共享”状态，橘红色为“独占” 。主存中块的状态由其右边的目录项的颜色来表示，未缓冲状态由黄色来表示，其他两种状态同 Cache 块。对于每一个 CPU 都可以指定所要进行的访问是读还是写（从列表中选）

8、 ，并在输入框中输入所要访问的主存块号，然后用鼠标单击在其右边的标有“”的按钮，模拟器就将开始演示该访问的工作过程。图 10模拟器简介（监听协议）该模拟器模拟 4 个 CPU（A 、B、C、D）访存的工作过程。每个 CPU 中都有一个 Cache，该 Cache 包含有 4 个块，其块地址为 0-3。集中共享存储器中有 32 个块，其块地址为 0-31。每个块状态用色块表示，其中灰色为“无效”状态，淡青色为“共享”状态，橘红色为“独占” 。对于每一个 CPU 都可以指定所要进行的访问是读还是写（从列表中选） ，并在输入框中输入所要访问的主存块号，然后用鼠标单击在其右边的标有“”的按钮，模拟器就

9、将开始演示该访问的工作过程。图 11实验步骤（目录协议）对于以下访问序列，写出目录协议所进行的操作。所进行目录协议所进行的操作CPUA 1读 ;2.不命中 ;3 本地 :向宿主结点读第 6 块 发读不命中 (A ，6)消息； 4.宿主：把数据块送给本地结点； 5.共享集 CPU B 1 读；2.不命中；3. 本地 :向宿主读第 6块结点发读不命中 (B，6)消息；CPUD 1读； 2.不命中； 3. 本地 :向宿主读第 6块 结点发读不命中 (D，6)消息；CPUB 1写； 2.命中； 3. 本地 :向宿主结写第 6块 点发写命中 (，6)消息，宿主：向远程结点 A 发CPUC1 读；2.不命

10、中； 3. 本地 :向宿主结读第 6块点发读不命中 (C ，6)消息；CPUD1写； 2.不命中； 3. 本地 :向宿主写第 20结点发写不命中 (D，20)消息；4宿CPUA1写； 2.不命中； 3. 本地 :向宿主写第 20结点发写不命中 (A ，20)消息；4宿CPUD1写； 2.不命中； 3. 本地 :向宿主写第 6块结点发写不命中 (D， 6)消息； 4.宿CPUA1写； 2.不命中； 3.本地：向被替读第 12换块的宿主结点发写回并修改共实验步骤（监听协议）对于以下访问序列，写出监听协议所进行的操作。所进行是否是否发的访问发生生写回CPUA 否否CPUB 否否CPUC 否否CPUB 否发生CPUD 发生否CPUB 发生发生CPUA 否发生CPUC 发生发生写第 23否否CPUBCPUB替换发生写第 5块监听协议所进行的操作读;不命中 ;读不命读;不命中 ;读不命读;不命中 ;读不命写,命中 ;作废 A,C 读;不命中 ;读不命写;不命中 ;写不命写;不命中 ;写不命写;不命中 ;写不命中;替换 ;写回 ;数读;不命中 ;读不命写;不命中