系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗報告一

1、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課內(nèi)實驗實驗報告班級：計算機01姓名：陳世陽學(xué)號：10055008日期：2013.5.10一、實驗?zāi)康募耙?. 熟練掌握WinDLX模擬器的操作和使用，熟悉DLX指令集結(jié)構(gòu)及其特點；2. 加深對計算機流水線基本概念的理解； 3. 進(jìn)一步了解DLX基本流水線各段的功能以及基本操作； 4. 加深對數(shù)據(jù)相關(guān)、結(jié)構(gòu)相關(guān)的理解，了解這兩類相關(guān)對CPU性能的影響； 5. 了解解決數(shù)據(jù)相關(guān)的方法，掌握如何使用定向技術(shù)來減少數(shù)據(jù)相關(guān)帶來的暫停。二、實驗環(huán)境WinDLX模擬器三、實驗內(nèi)容1. 用WinDLX模擬器執(zhí)行下列三個程序（任選一個）：l 求階乘程序fact.sl 求最大公倍數(shù)程序gcm.

2、sl 求素數(shù)程序prim.s分別以步進(jìn)、連續(xù)、設(shè)置斷點的方式運行程序，觀察程序在流水線中的執(zhí)行情況，觀察CPU中寄存器和存儲器的內(nèi)容。熟練掌握WinDLX的操作和使用。注意：fact.s中調(diào)用了input.s中的輸入子程序。load程序時，要兩個程序一起裝入（都select后再點擊load）。gcm.s也是如此。2. 用WinDLX運行程序structure_d.s，通過模擬：l 找出存在結(jié)構(gòu)相關(guān)的指令對以及導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相關(guān)的部件；l 記錄由結(jié)構(gòu)相關(guān)引起的暫停時鐘周期數(shù)，計算暫停時鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比；l 論述結(jié)構(gòu)相關(guān)對CPU性能的影響，討論解決結(jié)構(gòu)相關(guān)的方法。3. 在不采用定向技術(shù)的情

3、況下（去掉Configuration菜單中Enable Forwarding選項前的勾選符），用WinDLX運行程序data_d.s。記錄數(shù)據(jù)相關(guān)引起的暫停時鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)，計算暫停時鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。4. 在采用定向技術(shù)的情況下（勾選Enable Forwarding），用WinDLX再次運行程序data_d.s。重復(fù)上述3中的工作，并計算采用定向技術(shù)后性能提高的倍數(shù)。4、 實驗步驟及結(jié)果1. （1）用winDLX執(zhí)行求最大公倍數(shù)程序 gcm.s:File->load code or data->分別選中g(shù)cm.s和input.s->sel

4、ect.（2）首先直接運行整個程序（enable forwarding），execute->run(或按F5)例如，輸入如下：求得的結(jié)果為 gcm =7，顯然，這是正確的。（3）再來看此時statistics欄和register欄的情況。如下圖：從statistics 可以看出共執(zhí)行了147個cycle，共有64個沖突（43.54%）。其中有32個RAW stall，5個LD stall。再來看Register,這里我們主要關(guān)注的是R1，R2和R14.R1，R2的內(nèi)容是7，,R14的內(nèi)容是1028，分析代碼我們可以發(fā)現(xiàn)，這是采用輾轉(zhuǎn)相減法來求最大公約數(shù)的。代碼中有兩個循環(huán)體，一個是（R1

5、）-（R2），一個是（R2）-（R1），循環(huán)的終止條件是R1=R2.求7和21的終止條件則是R1中的值和R2中的值是7，此時我們要求的結(jié)果就在R1或R2中。并且我們將結(jié)果存入內(nèi)存中，內(nèi)存地址為0X00001028，這個地址存放在R14中。做這個實驗主要是為了熟悉WinDXL軟件的使用方法和分析statistics結(jié)果及Register的內(nèi)容。2. 用WinDLX運行程序structure_d.s（enable forwarding）找出引起結(jié)構(gòu)相關(guān)的指令和部件：（1） 代碼中存在最多的是IF和ID部件引起的結(jié)構(gòu)沖突，因為上一條指令一直占據(jù)著IF或ID而導(dǎo)致下一條指令遲遲無法進(jìn)入流水線和進(jìn)入ID

6、，我認(rèn)為這是一種結(jié)構(gòu)相關(guān)引起的沖突。如下圖：又如以下兩條指令：不僅有RAW沖突，還有ID和fddEX部件上的結(jié)構(gòu)沖突。通過手?jǐn)?shù)，發(fā)現(xiàn)一共存在9個cycle由于結(jié)構(gòu)相關(guān)引起的stall。一共執(zhí)行了139cycles,共占6.47%。解決結(jié)構(gòu)相關(guān)最直接的方法就是部件冗余技術(shù)。另一種方法是進(jìn)行指令調(diào)度。指令調(diào)度的方法在下一個小實驗中會用到。3.在不采用定向技術(shù)的情況下（去掉Configuration菜單中Enable Forwarding選項前的勾選符），用WinDLX運行程序data_d.s。執(zhí)行的結(jié)果如下：由于數(shù)據(jù)相關(guān)引起的stall為104個cycles,總cycle數(shù)為202.共占51.48

7、%。采用定向技術(shù)后（勾選Enable Forwarding），明顯地發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)相關(guān)引起的stall減少了，只有30個，占23.44%。導(dǎo)致total cycles 也減少為128.性能提高為原來的202/128=1.578倍。4. 我自己編寫了一個test.s的代碼。代碼比較短，直接分析如下：multff10,f0,f2subdf10,f4,f6/這兩條間存在WAWmultff6,f8,f14adddf10,f4,f6/這兩條間存在RAWaddir1,r0,#32/給r1初值32.用來作循環(huán)計數(shù)變量Loop:lff0,0(r1)/把r1指向的內(nèi)存單元的值送給f0adddf4,f0,f2/跟上一

8、條存在RAW沖突sd0(r1),f4/跟上一條存在RAW沖突addir1,r1,#-8/r1自減 每次減8bnezr1,Loop/判斷循環(huán)是否終止trap0（1） 首先在不使用定向技術(shù)，只有一個加法器，一個乘法器下，執(zhí)行這一程序：基本statistics如下：可以看到共執(zhí)行了74 cycles，26條指令，一共47個stalls，37個RAW stalls,4個WAW stalls,沒有結(jié)構(gòu)沖突，3個控制沖突（因為循環(huán)執(zhí)行了4次，第一次為必執(zhí)行）。現(xiàn)在來看采用了定向技術(shù)后對性能的影響：可以知道性能提高了1.37倍。再來對代碼進(jìn)行循環(huán)展開和指令調(diào)度。4次循環(huán)完全展開，并進(jìn)行指令調(diào)度如下：mult

9、ff10,f0,f2subdf10,f4,f6multff6,f8,f14adddf10,f4,f6addir1,r0,#32Loop:lff0,0(r1)lff6,-8(r1)lff10,-16(r1)lff14,-24(r1)adddf4,f0,f2adddf8,f6,f2adddf12,f10,f2adddf16,f14,f2sd0(r1),f4sd-8(r1),f8addir1,r1,#-32sd16(r1),f12bnezr1,Loopsd8(r1),f16trap0在不采用定向技術(shù)下，執(zhí)行的結(jié)果如下：可以看出，優(yōu)化后，數(shù)據(jù)沖突引起的停頓已經(jīng)大幅度減少，但是引入了新的沖突-結(jié)構(gòu)沖突。

10、這是循環(huán)展開和指令調(diào)度的帶價：將幾條性質(zhì)相同的指令連續(xù)執(zhí)行，必然要求有幾套重復(fù)的部件。性能提高了 74/43=1.72倍。采用了定向技術(shù)后：性能提高了74/37=2倍。五、總結(jié)1.通過本次試驗，我對于DLX仿真平臺和DLX指令有了一定程度的認(rèn)識，基本上能夠讀懂DLX編寫的程序。2，進(jìn)一步掌握和鞏固了流水線的基本知識，加深了對數(shù)據(jù)相關(guān)和結(jié)構(gòu)相關(guān)的理解。同時通過觀察實驗數(shù)據(jù)，對流水線的沖突和解決沖突的方法有了更深入的認(rèn)識，當(dāng)出現(xiàn)沖突時，對指令進(jìn)行調(diào)度是一個比較好的解決方法。3.加強了在編程時，數(shù)據(jù)間相關(guān)性的意識，不自覺就想盡量讓寫的程序中相關(guān)性少點。七、附錄（源程序清單）Test.smultff10,f0,f2subdf10,f4,f6multff6,f8,f14adddf10,f4,f6addir1,r0,#32Loop:lff0,0(r1)adddf4,f0,f2sd0(r1),f4addir1,r1,#-8bnezr1,Looptrap0*Test2.smultff10,f0,f2subdf10,f4,f6multff6,f8,f14adddf10,f4,f6addir1,r0,#32Loop:lff0,