北邮计算机系统结构

本文格式为Word版，下载可任意编辑——北邮计算机系统结构试验报告

学院：计算机学院

课程名称：计算机系统结构试验名称：WINDLX模拟器试验班级：姓名：学号：

试验一WINDLX模拟器安装及使用

略

试验二指令流水线相关性分析

一．试验类别

验证明验

二．试验目的

通过使用WINDLX模拟器，对程序中的三种相关现象进行观测，并对使用专用通路，增加运算部件等技术对性能的影响进行考察，加深对流水线和RISC处理器的特点的理解。

三．试验环境

WindowsXP操作系统WinDLX模拟器

四．试验原理

指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。相关影响流水线性能。

（1）数据相关

定义：原有先后顺序的两条指令（I1，I2)在对共享变量（位置）进行读、写时，指令流水线中实际完成的读、写顺序与原有顺序不一致，导致流水线输出错误。

三类数据相关：

写读(WR)相关读写(RW)相关写写(WW)相关

解决方法技术：

1.使某些流水线指令延迟、停顿一或多个周期。

2.双端口存储器:假使指令和数据放在同一个存储器。3.设置两个存储器：一个数据存储，一个为指令存储器。4.软件优化编译：通过指令重新排序，消除数据相关。

5.定向技术：又称旁路技术或专用通路技术，是使后续指令提前得到前指令的运算结果(适合ALU类指令）

（2）结构相关

定义：假使某指令在流水线重叠执行过程中，硬件资源满足不了

指令重叠执行的要求，会产生资源冲突或竞争，称为流水线结构相关

解决方法技术：

1.延迟技术：使某些指令延迟、停顿一或多个时钟周期2.双端口存储器：允许同时读两个数据或指令3.设置双存储器（哈弗结构）：一个数据存储，一个指令存储。4软件优化编译：通过指令重新排序消除结构相关。

（3）控制相关

定义：控制相关是指因程序执行转移类指令而引起的冲突相关。

包括无条件转移、条件转移、子程序调用、中断等，它们属于分支指令，执行中可能改变程序方向，造成流水线断流。

解决方法技术：

1、静态分支技术?

静态转移预计技术(猜测法)；?延迟转移；?

提前形成条件码，生成转移目标地址；?改进循环程序；

2、动态分支预计技术?

转移历史表BHT；?转移目标缓冲栈（BTB）；转移目标指令缓冲栈BTIB；

五．试验步骤

（1）观测程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中出现上述现象的指令组合。

（2）考察增加浮点运算部件对性能的影响。（3）考察增加forward部件对性能的影响。

（4）观测转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销。注意：除（2）以外，浮点加、乘、除部件都只有一个；本问题中所有浮点运算部件的延时都请设定为4个周期。

六．试验过程

在开始模拟之前，将fact.s和input.s加载至WinDLX中。

加载完后点击Code后可以看到如下图所示。证明加载成功，即可进行以下试验。

（1）观测程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中出现上述现象的指令组合。

1.1.数据相关如下图

lbur3,0×0(r2)

要在WB周期写回r3中的数据；而下一条指令seqir5,r3,0×a

要在intEX周期中读取r3中的数据。

上述过程发生了WR冲突，即写读相关。为了避免此类冲突，seqr5,r4,0×a的intEX指令延迟了一个周期进行。则发生数据相关的指令为

1.2控制相关

可知第0*00000130条指令jfact.Loop为循环指令，指令在EX时刻才能判别指令是否发生转移，此时发生了控制相关。如下所示，此时指令跳转成功，故顺序取出的指令必需中断，并且转向取出转移到的指令。

jfact.Loop在EX时发现跳转成功，则在EX阶段马上终止指令顺序取出的指令sdPrintfValue(r0),f0，转而执行ledf0/4指令的取指阶段ID。由于此控制相关使得流水线断流一个时钟周期。

1.3结构相关

上图说明白addir2,r2,0×1的详细信息。该指令与它前一条指令addr1,r1,r3发生了结构相关。并且由于此处的冲突，需要暂停2个周期。在ID段暂停后，则开始进图intEX段。所以这条指令（addir2,r2,0×1）你不能进入ID流水段，译码部分占用，发生了结构相关。该部分的指令为：

（2）考察增加浮点运算部件对性能的影响。

取N=12

设置浮点运算部件的配置。由于试验手册上面要求Delay=4，所以我们将Delay这一栏改成4，而Count可以任意，为了对比，我们第一次浮点运算部件取全部为2，其次次浮点运算部件取全部为4。

分别运行50个cycles后，数据对比如下：

比较各个数据，发现没有变化。无论怎么增加浮点运算部件，统计结果都一样。原因在于此程序中浮点计算指令没有重叠，所以并行度没有增加，性能没有提高。

所以，浮点运算部件的增减对效率无影响。

（3）考察增加forward部件对性能的影响。

为了对比有无forward部件的性能。需要在勾选enableforwarding，以及不勾选enableconfiguration来看性能数据的对比。

不使用forward部件：使用forward部件：

从上面的数据我们可以看出增加forward部件后，总的周期数由200减少至158，RAW由原来占总时钟周期的32.5%减少至16.46%，RAW个数由原来的65减少至26。增加forward部件使得控制相关比例增加了。

所以，使用forward部件后，总的时钟周期减少，数据相关减少，流水线的性能得到一定的改善。

（4）观测转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销。

可知条件分支指令总共有15条，其中有2条转移成功（13.33%），有13条转移不成功。

转移不成功的指令就顺序执行，故不会影响程序的运行，不会导致流水线断流；而转移成功的指令会导致流水线的断流，要废弃预先读入的指令，重新从转移成功处读入指令，执行效率会下降。经分析可知，两次断流都会导致一个周期的流水线断流。

七．试验总结

1.在流水线中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，会产生资源冲突或竞争，称为流水线结构相关，而解决流水线相关的途径之一是设置双存储器（哈弗结构）：一个数据存储，一个指令存储。实际上，本身实现DLX指令的硬件设备已经考虑到了这一点，本身已有两个存储器，一个为数据存储器，一个为指令存储器。故本身就解决了部分结构相关问题。并且fact.s中的指令并不会导致其他资源冲突，故无法表达资源相关。试验中多参与浮点数部件，运行效率等没有变化。通过观测指令的运行状况，由于不会发生结构相关（硬件资源冲突），在流水线中的部件线性使用，故参与部件也不会对结果有直接的影响。

2.本次试验，主要通过对于三种相关的观测，分析出现相关时的指令，分析浮点运算部件和forward部件对性能的影响，观测转移指令在转移成功和不成功时的流水线开销，这些试验一步一步，通过WinDLX形象生动的表示，使我在实践中更加深入的认识了流水线。

3.通过本次试验，我熟悉了指令执行的每个阶段的任务，对时空图的理解也更深了一步，对流水线中的三种相关性问题有了认识，同时通过此试验学习到了解决这些相关问题的方法，从而对课上所学的知识有了更系统的认识。

试验三DLX处理器程序设计

一．试验类别

综合型试验

二．试验目的

学习使用DLX汇编语言编程，进一步分析相关现象

三．试验环境

WindowsXP操作系统

DLX汇编语言环境

四．试验原理

把握向量运算算法和编程方法。

五．试验步骤

（1）熟悉DLX汇编语言。

（2）编写两双精度浮点一维向量的加法运算程序。（3）

对此程序完成上面试验二中1)、2)、3)、4)方面的分析。

六．试验过程

（1）代码清单和解释说明

.data

VectorLength:.word16

Vector1:.word1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16Vector2:.word1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16;声明向量长度以及声明向量1、2Printf1:.asciiz\Printf2:.asciiz\.align2

PrintPrompt:.wordPrintf1PrintPar:.wordPrintf2

Result:.space4;存放打印数据的空间申请.textmain:

addir14,r0,PrintPrompttrap5

lwr20,VectorLengthaddir2,r0,0Loop:

ldf10,Vector1(r2)

ldf12,Vector2(r2);循环体中读入向量cvti2df0,f10cvti2df2,f12

adddf4,f2,f0;加法运算

Finish:;****Finish,writeresultintostdoutsdResult,f4

addir14,r0,PrintPar

trap5;系统中断，输出结果addir2,r2,4subir20,r20,1bnezr20,Loop;Endtrap0

运行结果

2）观测程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中

无结构相关，有控制相关15次和数据相关64次。

（出现上述现象的指令组合。数据相关：以当对当前指令的操作数寄放器进行操作（EX）的时候，前几条指令的运算结果还未写回（WB）结果寄放器，由此产生数据相关。结构相关：由于只做了一次加法，所以没有产生结构相关

第一条命令在WB段，其次条命令在intEX段，第四条命令在IF段。而第三条命令指示为\。此处发生了控制相关。

（3）考察增加浮点运算部件对性能的影响。

设置浮点运算部件的配置。由于试验手册上面要求Delay=4，所以我们将Delay这一栏改成4，而Count可以任意，为了对比，我们第一次浮点运算部件取全部为2，其次次浮点运算部件取全部为4。

数据对比如下：

比较各个数据，发现没有变化。无论怎么增加浮点运算部件，统计结果都一样。原因在于此程序中浮点计算指令没有重叠，所以并行度没有增加，性能没有提高。

所以，浮点运算部件的增减对效率无影响。

（4）考察增加forward部件对性能的影响。

为了对比有无forward部件的性能。需要在勾选enableforwarding，以及不勾选enableconfiguration来看性能数据