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北邮计算机系统结构-windlx模拟器实验报告

实验报告学院:计算机学院课程名称:计算机系统结构实验名称: WINDLX模拟器实验班级:姓名:学号:实验一 WINDLX模拟器安装及使用略实验二指令流水线相关性分析一.实验类别验证实验二.实验目的通过使用WINDLX模拟器,对程序中的三种相关现象进行观察,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.实验环境Windows XP操作系统WinDLX模拟器四.实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:如果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:如果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 ?静态转移预测技术(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、动态分支预测技术 ?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.实验步骤(1)观察程序中出现的数据/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)观察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.实验过程在开始模拟之前,将和加载至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,即可进行以下实验。

(1)观察程序中出现的数据/控制/结构相关。

指出程序中出现上述现象的指令组合。

1.1.数据相关如图所示lbu r3,0×0(r2)要在WB周期写回r3中的数据;而下一条指令seqi r5,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,seq r5,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控制相关可知第0*00000130条指令为循环指令,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须中断,并且转向取出转移到的指令。

在EX时发现跳转成功,则在EX阶段马上结束指令顺序取出的指令sd PrintfValue(r0),f0,转而执行led f0/4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。

结构相关上图表明了addi r2,r2,0×1的详细信息。

该指令与它前一条指令add r1,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(addi r2,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。

由于实验手册上面要求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,第二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enable forwarding,以及不勾选enable configuration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%减少至%,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)观察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(%),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.实验总结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。

并且中的指令并不会导致其他资源冲突,故无法体现资源相关。

试验中多加入浮点数部件,运行效率等没有变化。

通过观察指令的运行情况,因为不会发生结构相关(硬件资源冲突),在流水线中的部件线性使用,故加入部件也不会对结果有直接的影响。

2.本次实验,主要通过对于三种相关的观察,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,观察转移指令在转移成功和不成功时的流水线开销,这些实验一步一步,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. 通过本次实验,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,同时通过此实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。

实验三 DLX处理器程序设计一.实验类别综合型实验二.实验目的学习使用DLX汇编语言编程,进一步分析相关现象三.实验环境Windows XP操作系统DLX汇编语言环境四.实验原理掌握向量运算算法和编程方法。

五.实验步骤(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)?对此程序完成上面实验二中1)、2)、3)、4)方面的分析。

六.实验过程(1)代码清单和注释说明.dataVectorLength: .word 16Vector1: .word 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16Vector2: .word 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16; 声明向量长度以及声明向量 1、2Printf1: .asciiz "Vector ="Printf2: .asciiz " %f".align 2PrintPrompt: .word Printf1PrintPar: .word Printf2Result: .space 4 ; 存放打印数据的空间申请.textmain:addi r14,r0,PrintPrompttrap 5lw r20,VectorLengthaddi r2,r0,0Loop:ld f10,Vector1(r2)ld f12,Vector2(r2) ; 循环体中读入向量cvti2d f0,f10cvti2d f2,f12addd f4,f2,f0 ; 加法运算Finish:;**** Finish,write result into stdoutsd Result,f4addi r14,r0,PrintPartrap 5 ; 系统中断,输出结果addi r2,r2,4subi r20,r20,1bnez r20,Loop;Endtrap 0运行结果(2)观察程序中出现的数据/控制/结构相关。

指出程序中出现上述现象的指令组合。

无结构相关,有控制相关15次和数据相关64次。

数据相关:以当对当前指令的操作数寄存器进行操作(EX)的时候,前几条指令的运算结果还未写回(WB)结果寄存器,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,第二条命令在intEX段,第四条命令在IF段。

而第三条命令指示为"aborted"。

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。

由于实验手册上面要求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,第二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enable forwarding,以及不勾选enable configuration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413减少至315,RAW由原来占总时钟周期的%减少至%,RAW个数由原来的162减少至64。

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。

(5)观察转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销。

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