計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)報(bào)告西安交通大學(xué)

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí)：計(jì)算機(jī)15班姓名：高君宇學(xué)號(hào)：12日期：動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙罅私庹莆談?dòng)態(tài)分支與推斷執(zhí)行技術(shù)對(duì)流水線性能的改進(jìn)效果了解動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)的基本技術(shù)；了解推斷執(zhí)行的基本過程；比較各種分支預(yù)測(cè)技術(shù)的性能。二、實(shí)驗(yàn)環(huán)境Linux、SimpleScalarToolSet、SPEC測(cè)試程序三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容利用SimpleScalar仿真器中的分支預(yù)測(cè)仿真程序sim-pred運(yùn)行所提供的三個(gè)benchmark程序，分別采用五種不同的分支預(yù)測(cè)方法，即bimod方式，two-leveladaptive方式，alwaystaken方式，alwaysnottaken方式，co

2、mb方式，并對(duì)前兩種分別使用下表中兩種參數(shù)配置；分析仿真器輸出的關(guān)于分支預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)集，填寫表格，并對(duì)各仿真器的能力給出相應(yīng)說明。命令格式為：./sim-bpred-optionexecutable_benchmark-argument對(duì)于三種動(dòng)態(tài)方法，分別說明如下：bimod是最普通的，即采用一個(gè)2bit寬的分支方向預(yù)測(cè)表，按分支地址查找，2bit分支預(yù)測(cè)器的判斷和更新與課本上的一致。這種方式只有一個(gè)參數(shù)，就是分支預(yù)測(cè)表的長(zhǎng)度。2-level要復(fù)雜一些，它采用兩級(jí)表格式，第一級(jí)是分支歷史表，存放各組分支歷史寄存器的值，第二級(jí)是全局/局部分支模式表，（全局或局部應(yīng)是由表長(zhǎng)相對(duì)于分支歷史寄存器

3、的長(zhǎng)決定），它存放各分支歷史模式的2bit預(yù)測(cè)器。在判斷時(shí)用當(dāng)前分支指令對(duì)應(yīng)的歷史寄存器值去索引二級(jí)表得到相應(yīng)預(yù)測(cè)器值。更新時(shí)，把當(dāng)前分支的方向左移入歷史寄存器，并對(duì)使用過的2bit預(yù)測(cè)器作更新。它有四個(gè)參數(shù)，前三個(gè)是一級(jí)表長(zhǎng)度，二級(jí)表長(zhǎng)度，歷史寄存器寬度，最后一個(gè)是異或標(biāo)志。如果為1，則將歷史寄存器的值與當(dāng)前分支指令地址異或，用其結(jié)果再去索引二級(jí)模式表。comb方式則組合了以上兩種方法，它再加入了一個(gè)meta表，這個(gè)表類似bimod的預(yù)測(cè)表，只是它預(yù)測(cè)的是采取bimod還是2-level，也采用2-bit預(yù)測(cè)器，被采取的預(yù)測(cè)方法被定為第一方向，未被采取的定為第二方向。更新時(shí)，如果第一方向與第

4、二方向不同則更新meta表，否則只更新兩種方法各自的表即可。它共有三組參數(shù)，前兩組即bimod和two-level的參數(shù)，第三組是關(guān)于meta表長(zhǎng)度的說明。至于BTB的更新與cache的更新方式相同。四、實(shí)驗(yàn)步驟在linux的環(huán)境下，進(jìn)入到simpleScalar文件的根目錄；調(diào)整好命令的格式并運(yùn)行(下面給出運(yùn)行命令的的一部分內(nèi)容)：./sim-bpred-bpredtakentests/bin.little/test-math./sim-bpred-bprednottakentests/bin.little/test-math./sim-bpred-bpredbimod-bpred:bimo

5、d512tests/bin.little/test-math./sim-bpred-bpredbimod-bpred:bimod1024tests/bin.little/test-math./sim-bpred-bpred2lev-bpred:2lev11024801tests/bin.little/test-math./sim-bpred-bpred2lev-bpred:2lev16461tests/bin.little/test-math./sim-bpred-bpredcomb-bpred:comb1024-bpred:2lev1102480-bpred:bimod1024tests/b

6、in.little/test-math五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果將結(jié)果總結(jié)如下表：測(cè)試程序?yàn)閠est.math、預(yù)測(cè)方”計(jì)結(jié)果yalway去snottakenalwaystakenbimod(516)bimod(1024)2-level(1,1024,8,0)2-level(1,64,6,1)comb(1024)(1,1024,8,0)(1024)sim_totalnsn213688213688213688213688213668213723213723sim_total_refs56897568975689756897568975690056900sim_num_branches3859138591385

7、9138591385913859938599simelapsedtime1111111simnst_rate213688213688213688.0000213688.0000213688213723213723sim_IPB5.53725.53725.53725.53725.53725.5375.537bpredbimod.looku385938593859138591385913859938599PS11bpred_bimod.updates38591385913859138591385913859938599bpred_bimod.addr_hits2193825561342373423

8、7342422796135578bpred_bimod.dir_hirts21938255613473234732342422851436018bpred_bimod.misses1665312930385938593797100852581bpred_bimod.jr_hits3543354335283528352835293529bpred_bimod.jr_seen3543354335433543354335443544bpred_bimod.jr_non_rashits.PP354335432828282828bpred_bimod.jr_non_rasseen.PP354335434

9、141414141bpred_bimod.bpred_addrrate0.56850.66490.88720.88720.88730.72440.9217bpred_bimod.bpred_dirrate0.56850.66490.90000.90000.90160.73870.9331bpred_bimod.bpred_jr_rate110.99580.99580.99580.99580.9958bpred_bimod.bpred_jr_nonrasrate.PP110.68290.68290.68290.68290.6829bpred_bimod.retstack_pushes113504

10、3504350435053505bpred_bimod.retstack_pops00350235023502350335030035023502350235033503bpred_bimod.ras_hits.PP0035023500350035013501000.99940.99940.99940.99940.9994測(cè)試程序?yàn)閠est.fmath預(yù)測(cè)方統(tǒng)計(jì)打、二alwaysnot=takenalwaystakenbimod(516)bimod(1024)2-level(1,1024,8,0)2-level(1,64,6,1)comb(1024)(1,1024,8,0)(1024)sim_

11、totalnsn53448534485344534453448534825348288sim_total_refs16342163421634163416342163451634522sim_num_branches10340103401034103410340103471034700simelapsedtime1111111simnst_rate53448534485344534453448534825348288sim_IPB5.1695.1695.1695.1695.16915.16885.16881111bpred_bimod.lookups1034010340103410341034

12、0103471034700bpred_bimod.updates10340103401034103410340103471034700bpredbimod.addrhits5768683988259021886075749225bpredbimod.dirhirts5768683991289315917178889474bpredbimod.misses457235011212102511692459873bpredbimod.jrhits832832815815815816816bpredbimod.jrseen832832832832832833833bpred_bimod.jr_non_

13、r83283244444ashits.PPbpred_bimod.jr_non_r8328321919191919asseen.PPbpred_bimod.bpred_ad0.5570.6610.8530.8720.85690.73200.8916d8454r_ratebpred_bimod.bpred_di0.5570.6610.8820.9000.88690.76230.9156r8489ratebpred_bimod.bpred_jr110.9790.9790.21050.97960.9796_r66atebpred_bimod.bpred_jr110.2100.2100.21050.2

14、1050.2105_n55onrasrate.PPbpredbimod.retstack00815815815816816pushesbpred_bimod.retstack_pops00813813813814814bpred_bimod.used_ras.PP00813813813814814bpred_bimod.ras_hits.PP00811811811812812bpred_bimod.ras_rate.PP000.99750.99750.99750.99750.9975測(cè)試程序?yàn)閠est.printf7、預(yù)測(cè)方統(tǒng)walwaysnot法Ikenalwaystakenbimod(51

15、6)bimod(1024)2-level(1,1024,8,0)2-level(1,64,6,1)comb(1024)(1,1024,8,0)(1024)sim_totalnsn1813818138181381813818138771813911813914777777774sim_total_refs516945169451694516945169415169475169471111sim_num_branches401604016040160401604016094016234016239999simelapsedtime1111111simnst_rate1813818138181381

16、813818138771813911813914777777774simIPB4.51654.51654.51654.51654.51654.51654.5165bpred_bimod.lookup40160401604016040160401609401623401623s9999bpred_bimod.updates4016040160401604016040160940162340162399(99bpred_bimod.addr_hi23336261363725937745373619317099384169ts1318bpred_bimod.dir_hirt2333626136374

17、9037976375930319444386404s1311bpred_bimod.misses1682414024267082184825679821791521986bpredbimod.jrhits31998319983015230152301523015330153bpredbimod.jrseen31998319983199831998319983199931999bpred_bimod.jr_non_3199831998363363363363363rashits.PPbpredbimod.jrnon319983199821982198219821982198ras_seen.PP

18、bpred_bimod.bpred_addr_rate0.58110.65080.92770.93990.93030.78650.9565bpred_bimod.bpred_dirrate0.58110.65080.93350.94560.93610.79540.9621bpred_bimod.bpred_jr_rate110.94230.94230.94230.94230.9423bpred_bimod.bpred_jr_nonrasrate.PP110.16520.16520.16520.16520.1652bpred_bimod.retstack_pushes00298022980229

19、8022980329803bpred_bimod.retstack_pops002980029800298002980129801bpred_bimod.used_ras.PP002980029800298002980129801002978929789297892979029790bpred_bimod.ras_rate.PP000.99960.99960.9960.99960.9996六、總結(jié)所謂的動(dòng)態(tài)分支處理方法，是指利用程序執(zhí)行期間的信息，進(jìn)行處理，所以這兒很明顯帶來的是硬件開銷，因?yàn)槌绦驁?zhí)行期間是不可能由軟件協(xié)助的，否則性能影響也就太大了吧。相對(duì)的，靜態(tài)分支處理，其實(shí)是利用編譯器實(shí)現(xiàn)

20、的。這次實(shí)驗(yàn)我最大的感受就是計(jì)算機(jī)就像董老師說的一樣，是在玩平衡。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是平衡，以最快的速度獲取指令，需要較少的時(shí)鐘周期，但帶來的是預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的下降；如果希望提高準(zhǔn)確率，則是較慢的速度；三種分支預(yù)測(cè)方式實(shí)現(xiàn)難度各不相同，在性能方面也各有優(yōu)劣，一級(jí)分支預(yù)測(cè)追求的是快，二級(jí)分支預(yù)測(cè)追求的是準(zhǔn)確率，這都是在玩平衡。通過實(shí)驗(yàn)，我更加熟悉了動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)的方法，學(xué)以致用才是硬道理，計(jì)算機(jī)的這個(gè)“平衡“還得好好玩下去。七、附錄（源程序清單）使用的是程序自帶的源代碼test.math，test.fmath,test.printf故在此不單獨(dú)列出?；玖魉€和Tomasulo算法實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?/p>

21、求掌握DLXview模擬器的使用方法；進(jìn)一步理解指令動(dòng)態(tài)調(diào)度的基本思想，了解指令動(dòng)態(tài)調(diào)度的基本過程與方法；理解記分牌算法和Tomasulo算法的基本思想，了解它們的基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)行過程；比較分析基本流水線與記分牌算法和Tomasulo算法的性能及優(yōu)缺點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)環(huán)境DLXview模擬器三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、用DLX匯編語(yǔ)言編寫代碼文件*s(程序中應(yīng)包括指令的數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)以及結(jié)構(gòu)相關(guān))，以及相關(guān)的初始化寄存器文件*.i和數(shù)據(jù)文件*.d；2、觀察程序中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)、結(jié)構(gòu)相關(guān)，并指出三種相關(guān)的指令組合；3、將自己編寫的程序*.s、*i、*.d裝載到DLXview模擬器上，4、分別用基本流水

22、線和Tomasulo算法模擬，針對(duì)每一種模擬做如下分析：統(tǒng)計(jì)程序的執(zhí)行周期數(shù)和流水線中的暫停時(shí)鐘周期數(shù)；改變功能部件數(shù)目重新模擬，觀察并記錄性能的改變改變功能部件延遲重新模擬，觀察并記錄性能的改變；5、記錄運(yùn)行Tomasulo算法時(shí)的指令狀態(tài)表和保留站信息；四、實(shí)驗(yàn)步驟用DLX匯編語(yǔ)言編寫代碼文件*.s(程序中應(yīng)包括指令的數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)以及結(jié)構(gòu)相關(guān))，以及相關(guān)的初始化寄存器文件*.i和數(shù)據(jù)文件*.d；將自己編寫的程序*.s、*.i、*.d裝載到DLXview模擬器上；用DLXview模擬器進(jìn)行模擬。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果(一)普通流水線：實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該段程序運(yùn)行了11個(gè)時(shí)鐘周期改變部件數(shù)目：增加了一個(gè)除法器部件根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果依然運(yùn)行了11個(gè)時(shí)鐘周期。所以對(duì)該f305程序增加除法器部件數(shù)目，不影響執(zhí)行效率。增加了一個(gè)加法器部件實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示依然運(yùn)行了11個(gè)時(shí)鐘周期。所以該f305程序?qū)τ诩臃ㄆ鞑?/p>