计算机标准体系结构实验报告.doc
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1、实验一 流水线中有关一实验目1. 纯熟掌握WinDLX模仿器操作和使用,熟悉DLX指令集构造及其特点;2. 加深对计算机流水线基本概念理解;3. 进一步理解DLX基本流水线各段功能以及基本操作;4. 加深对数据有关、构造有关理解,理解这两类有关对CPU性能影响;5. 理解解决数据有关办法,掌握如何使用定向技术来减少数据有关带来暂停。二实验平台WinDLX模仿器三 预备知识1. WinDLX WinDLX模仿器是一种图形化、交互式DLX流水线模仿器,可以演示DLX流水线是如何工作。该模仿器可以装载DLX汇编语言程序(后缀为“.s”文献),然后单步、设断点或是持续执行该程序。CPU寄存器、流水线、
2、I/O和存储器都可以用图形表达出来,以形象生动方式描述DLX流水线工作过程。模仿器还提供了对流水线操作记录功能,便于对流水线进行性能分析。关于WinDLX详细简介,见WinDLX教程。2. 熟悉WinDLX指令集和WinDLX源代码编写3. 复习和掌握教材中相应内容(1)DLX基本流水线(2)流水线构造有关与数据有关? 构造有关:当指令在重叠执行过程中,硬件资源满足不了指令重叠执行规定,发生资源冲突时,将产生“构造有关”。? 数据有关:当一条指令需要用到前面指令执行成果,而这些指令均在流水线中重叠执行时,就也许引起“数据有关”。(3)定向技术重要思想:在发生数据有关时,等待前面计算成果指令并不
3、一定真立即就用到该计算成果,如果可以将该计算成果从其产生地方直接送到其她指令需要它地方,就可以避免暂停。四 实验内容及成果1. 用 WinDLX 模仿器执行下列三个程序(任选一种):?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、持续、设立断点方式运营程序,观测程序在流水线中执行状况,观测CPU 中寄存器和存储器内容。纯熟掌握WinDLX 操作和使用。注意:fact.s 中调用了input.s 中输入子程序。load 程序时,要两个程序一起装入(都select 后再点击load)。gcm.s 也是如此。 阐明:此实验咱们选取:求阶乘程序fact.s
4、 1)用WinDLX模仿器执行求阶乘程序fact.s 。 2)程序作用:这个程序阐明浮点指令使用。该程序从原则输入读入一种整数,求其阶乘,然后将成果输出。该程序中调用了input.s中输入子程序,这个子程序用于读入正 整数。 3)实验成果: i . 分别以步进、持续、设立断点方式运营程序 图1. 求阶乘程序fact.s运营记录数据步进方式运营 图2 求阶乘程序fact.s运营记录数据持续方式运营 图3 求阶乘程序fact.s运营记录数据持续方式运营 ii. 数据记录图1.1.4 求阶乘程序fact.s运营记录数据图5 求阶乘程序fact.s流水线执行状况图6 求阶乘程序fact.s寄存器使用状
5、况 iii. 定向非定向分析在载入fact.s和input.s之后,不设立任何断点运营。A. 不采用重新定向技术,咱们得到成果:B. 采用定向技术,咱们得到成果: 成果分析从上面数据咱们可以看出定向作用:在定向技术存在状况下Statistics 窗口中各种记录数字:总周期数(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 暂停依然是同样值,而RAW暂停从17变成了53,总模仿周期数增长到236。因此定向技术带来加速比:S=236 / 215 = 1.098因而:DLXforwarded比 DLXnot fo
6、rwarded 快9.8%。2. 用 WinDLX 运营程序structure_d.s,通过模仿:?找出存在构造有关指令对以及导致构造有关部件;?记录由构造有关引起暂停时钟周期数,计算暂停时钟周期数占总执行周期数百分比;?阐述构造有关对 CPU 性能影响,讨论解决构造有关办法。 1)模仿成果:图2.1 程序structure_d.s流水线执行过程图2.2程序structure_d.s运营记录信息 2)构造有关 i. 如图,导致构造部件:浮点数寄存器f4 addd f0,f0,f4 指令在译码阶段ID停滞1周期 ii. 如图导致构造有关部件: ALU addi r2,r2,0x8 指令在执行阶段
7、intEX停滞1周期 3)成果分析由资源有关引起暂停周期数为:30总执行周期数为:139暂停周期数占总执行周期数比例:21.58%分析:资源有关使有关指令在流水线上停滞,减少了执行效率。 4)解决办法在合理指令调度范畴内,尽量避免执行重复指令。尽量避免同一寄存器频繁使用,若无法避免,则使用寄存器换名办法。也可以考虑采用资源重复办法,例如,在流水线机器中设立互相独立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。3. 在不采用定向技术状况下(去掉 Configuration 菜单中Enable Forwarding 选项前勾选符),用WinDLX 运营程序dat
8、a_d.s。记录数据有关引起暂停时钟周期数以及程序执行总时钟周期数,计算暂停时钟周期数占总执行周期数比例。 1)实验成果: 没有采用定向技术时运营该程序,咱们得到: 2)成果分析:程序执行了202个周期,10个数据有关引起时钟周期RAW stall为104个。暂停时钟周期数占总执行周期数比例=51.48%4. 在采用定向技术状况下(勾选Enable Forwarding),用WinDLX 再次运营程序data_d.s。重复上述3 中工作,并计算采用定向技术后性能提高倍数。 1)实验成果: 采用定向技术时运营该程序,咱们得到: 2)成果分析:程序执行了128个周期,共有6个数据有关引起时钟周期R
9、AW stall为30个。暂停时钟周期数占总执行周期数比例=23.44% 五总结实验二 循环展开及指令调度一实验目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理解; 2. 熟悉用指令调度技术来解决流水线中数据有关办法; 3. 理解循环展开、指令调度等技术对 CPU 性能改进。二实验平台WinDLX simulator 四 预备知识1. WinDLX模仿器有关知识,详见有关文档。2. 复习和掌握教材中相应内容:(1) 循环级并行性(2) 指令调度 (3) 循环展开 (4) 寄存器换名五 实验内容及成果1用指令调度技术解决流水线中构造有关与数据有关(1)用DLX汇编语言编
10、写代码文献*.s,程序中应涉及数据有关与构造有关(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) 给出调度前程序sch_bef:.data.global ONEONE:.word 1.text.global mainmain:lf f1,ONE ;turn divf into a movecvti2f f7,f1 ;by storing in f7 1 innop ;floating-point formatdivf f1,f8,f7 ;move Y=(f8) into f1divf f2,f9,f7 ;move Z=(f9) into f2addf f3,f1,f2divf f1
11、0,f3,f7 ;move f3 into X=(f10)divf f4,f11,f7 ;move B=(f11) into f4divf f5,f12,f7 ;move C=(f12) into f5multf f6,f4,f5divf f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13)Finish:trap 0(2) 通过Configuration菜单中“Floating point stages” 选项,把加法乘法除法部件个数设立为2个,把延迟都设立为3个时钟周期; (3) 用WinDLX运营程序。记录程序执行过程中各种有关发生次数、发生有关指令组合,以及程序执行总时钟周期数
12、;(4) 采用指令调度技术对程序进行指令调度,消除有关; 调度之后程序sch_aft:.data.global ONEONE:.word 1.text.global mainmain:lf f1,ONE ;turn divf into a movecvti2f f7,f1 ;by storing in f7 1 innop ;floating-point formatdivf f1,f8,f7 ;move Y=(f8) into f1divf f2,f9,f7 ;move Z=(f9) into f2divf f4,f11,f7 ;move B=(f11) into f4divf f5,f12
13、,f7 ;move C=(f12) into f5addf f3,f1,f2multf f6,f4,f5divf f10,f3,f7 ;move f3 into X=(f10)divf f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13)divf f10,f3,f7 ;move f3 into X=(f10)divf f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13)Finish:trap 0(5) 用WinDLX运营调度后程序,观测程序在流水线中执行状况,记录程序执行总时钟周期数; (6) 依照记录成果,比较调度前和调度后性能。阐述指令调度对于提高CPU性能意义。意义:
14、可以看出通过调度之后运营周期从27减少到21,并且减少了有关。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献*.s,程序中包括一种循环次数为4整数倍简朴循环; 循环展开前程序:LHI R2,(A16)&0xFFFF ADDUI R2,R2,A&0xFFFF LHI R3,(B16)&0xFFFF ADDUI R3,R3,B&0xFFFF ADDU R4,R0,R3 NOP loop: SUBI R4,R4,#8 SUB R5,R4,R2 BNEZ R5,loop TRAP #0 A: .double 1,2,3,4 B: .double 1,2,3,4(2)
15、 用WinDLX运营该程序。记录执行过程中各种有关发生次数以及程序执行总时钟周期数; (3) 将循环展开3次,将4个循环体构成代码代替本来循环体,并对程序做相应修改。然后对新循环体进行寄存器换名和指令调度; LHI R2,(A16)&0xFFFF ADDUI R2,R2,A&0xFFFF LHI R3,(B16)&0xFFFF ADDUI R3,R3,B&0xFFFF ADDU R4,R0,R3 SUBI R4,R4,#8 SUBI R4,R4,#8 SUBI R4,R4,#8 SUBI R4,R4,#8 TRAP #0 A: .double 1,2,3,4 B: .double 1,2,3,
16、4循环展开后程序:(4) 用WinDLX运营修改后程序,记录执行过程中各种有关发生次数以及程序执行总时钟周期数; (5) 依照记录成果,比较循环展开、指令调度先后性能。 结论:可以看出通过循环展开之后运营周期从30减少到14,并且减少了有关。五总结实验三 记分牌算法和Tomasulo 算法一实验目1. 掌握DLXview 模仿器用法;2. 进一步理解指令动态调度基本思想,理解指令动态调度基本过程与办法;3. 理解记分牌算法和Tomasulo 算法基本思想,理解它们基本构造、运营过程;4. 比较分析基本流水线与记分牌算法和Tomasulo 算法性能及优缺陷。二实验平台DLXview 模仿器三预备
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