计算机系统结构winDLX流水线实验报告

1 计算机科学与技术学院 计算机体系结构 课程实验 学 号 班 级 专 业 学生姓名 年 月 日 2 实实 验验 报报 告告 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 时间 时间 地点 地点 实验课程名称 实验课程名称 计算机体系结构 一 实验名称 一 实验名称 流水线中的相关 求 n 个数的方差 二 实验原理 二 实验原理 1 WinDLX WinDLX 模拟器是一个图形化 交互式的 DLX 流水线模拟器 能够演示 DLX 流水线是 如何工作的 该模拟器可以装载 DLX 汇编语言程序 后缀为 s 的文件 然后单步 设断 点或是连续执行该程序 CPU 的寄存器 流水线 I O 和存储器都可以用图形表示出来 以 形象生动的方式描述 DLX 流水线的工作过程 模拟器还提供了对流水线操作的统计功能 便于对流水线进行性能分析 2 流水线执行过程 指令执行的5个阶段 1 取指令周期 2 指令译码 读寄存器周期 3 执行 有效地址计算周期 4 存储器访问 分支完成周期 5 写回周期 3 流水线中的相关 1 结构相关 当某一条机器指令需要访问物理器件时 如加法器 此时加法器正被另 一条机器指令使用 从而产生结构相关 2 数据相关 当某一条指令需要访问某个寄存器时 此时这个寄存器正被另一条指令 所使用 从而产生数据相关 3 控制相关 当程序执行到某个分支语句时 顺序执行的下一条语句将被跳过而去执 行分支语句中满足条件的那条指令 从而产生控制相关 3 三 实验目的 三 实验目的 1 通过该模拟实验 进一步掌握和巩固流水线的基本知识 2 初步掌握在特定体系结构下的汇编代码的编写和优化 3 培养运用所学知识解决实际问题的能力 4 对流水线性能分析 5 了解影响流水线效率的因素 6 了解各类相关及解决方法 四 实验内容 四 实验内容 使用 WinDLX 模拟器 对 Variance s 做如下分析 1 分析 Variance s 和 Input s 输入顺序不同时产生的影响 2 分析 Variance s 中汇编语言含义 同时分析程序执行流程 3 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 4 考察增加运算部件对性能的影响 5 考察增加 forward 部件对性能的影响 6 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 4 以外 加 乘 除部件都只有一个 本问题中所有部件延迟设置为 加 法 2 个延迟周期 乘法 5 个延迟周期 除法 19 个延迟周期 五 实验器材 设备 元器件 五 实验器材 设备 元器件 IBM PC 兼容机 Windows 3 0 以上的操作系统 六 实验步骤及操作 六 实验步骤及操作 1 双击 WinDLX 图标运行 WinDLX 装入测试程序之前 先初始化 WinDLX 模拟器 点击 File 菜单中的 Reset all 菜单项 弹出一个 Reset DLX 对话框 然后点击窗口中的 确 认 按钮即可 2 选择 File Load Code or Data 按如下步骤操作 可将 Variance s 和 Input s 这两个程 序装入主存 点击 Variance s 点击 select 按钮 点击 Input s 点击 select 按钮 点击 load 按钮 3 按 F7 键程序顺序执行观察 6 个子窗口的情况 4 七 实验数据及结果分析 七 实验数据及结果分析 1 先装入 Variance s 再转入 Input s 时 因为程序顺序执行 地址顺序符合程序执行 顺序 程序能够正确执行 顺序相反时 因为 Input s 的地址高 而程序顺序执行到 Input s 时将没有正确的输入窗口 程序执行到输出结果时 也不会出现结果 2 程序中出现的三种相关 1 数据相关 以图 1 中出现的两个数据相关为例 下面两条指令中 因为第二条指令要读 r3 而执行到此操作时加载指令仍对 r3 进行操作 因此出现了数据相关 lbu r3 0 r2 seqi r5 r3 10 下面两条指令中 因为加法指令要读 r1 而执行到此操作时乘法指令仍对 r 进行 操作 因此出现了数据相关 multu r1 r1 r4 add r1 r1 r3 图 1 数据相关 2 控制相关 以图 2 中出现的控制相关为例 下面两条指令中 因为第一条指令出现跳转指令时 存储指令的取指将作废 所 以出现控制相关 jal InputUnsigned sw PrintfValue r3 r1 图 2 控制相关 5 3 结构相关 以图 3 中出现的结构相关为例 下面两条指令中 因为当第二条乘法指令需要使用乘法器时 第一条乘法指令仍 在使用乘法器 所以出现结构相关 mult r2 r0 r0 mult r3 r0 r0 图 3 结构相关 3 主程序 Variance s 的代码 data data 标识下面的数据放在数据区中 输入语句 指示你输入要求多少个数的方差 Prompt asciiz Please input An integer which is array s size value 0 输入语句 指示你输入要求方差的数 PromptLast asciiz Please input the integer 输出格式 表示求出的方差按什么格式输出 PrintfFormat asciiz the Variance is g 表示下面采用字对齐 align 2 word 在存储器中顺序存放列出的字 PrintfPar word PrintfFormat 在存储区中空出相应大小的区域 Printf space 8 Variance space 8 PrintfValue space 1024 text text 标识下面的代码存放在代码区中 global main global 标识 main 可以被全局访问 main 将 Prompt 字符串首地址放入 r1 寄存器中 addi r1 r0 Prompt 跳转向 InputUnsigned 标识的地址 调用 input 子函数读取数组大小的 值 jal InputUnsigned 将 input 函数读取的数放入寄存器中 add r5 r0 r1 add r6 r0 r1 6 add r7 r0 r1 add r8 r0 r1 addi r3 r0 0 循环调用 input 函数读数 InputArray r5 寄存器中的值为 0 则跳转向 ProcessPart 标识的地址 beqz r5 ProcessPart addi r1 r0 PromptLast jal InputUnsigned 将 r1 寄存器中的数放入 r3 寄存器中所存数地址的存储器中 sw PrintfValue r3 r1 addi r3 r3 4 subi r5 r5 1 无条件跳转向 InputArray 标识的指令地址 j InputArray ProcessPart r2 r3 寄存器中数清 0 mult r2 r0 r0 mult r3 r0 r0 Loop1 r6 寄存器中的值为 0 则跳转向 Average1 标识的地址 beqz r6 Average1 将 r3 寄存器中所存地址的存储器中的数加载到 r1 中 lw r1 PrintfValue r3 求出 n 个数的累加和存入 r2 中 add r2 r2 r1 addi r3 r3 4 subi r6 r6 1 无条件跳转向 Loop1 标识的指令地址 j Loop1 Average1 求出 n 个数的平均数存入 r9 中 div r9 r2 r8 r2 r3 寄存器中数清 0 mult r2 r0 r0 mult r3 r0 r0 Loop2 r7 寄存器中的值为 0 则跳转向 Average2 标识的地址 beqz r7 Average2 将 r3 寄存器中所存地址的存储器中的数加载到 r1 中 lw r1 PrintfValue r3 求出 n 个数与平均数差值平方的累加和 7 sub r10 r1 r9 mult r10 r10 r10 add r2 r2 r10 addi r3 r3 4 subi r7 r7 1 无条件跳转向 Loop2 标识的指令地址 j Loop2 Average2 求出方差存入 r11 中 div r11 r2 r8 output 将方差存入 Variance 所指存储空间中 sw Variance r11 转换为双精度并输出 lf f2 Variance cvti2d f0 f2 sd Printf f0 addi r14 r0 PrintfPar trap 5 调用中断 格式化输出转化为标准输出 over trap 0 调用系统中断 0 表示程序执行结束 4 样例输出 以图 4 中数据为例 输入需要求方差数的个数为 4 4 个数分别为 3 5 6 2 输出结果为 2 图 4 输出界面 5 尽量减少和消除程序中出现的相关 1 消除数据相关 a 采用定向技术 在发生数据相关时 等待前面计算结果的指令并不一定真的马 上就用到该计算结果 如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要 它的地方 就可以避免暂停 具体操作为 在 WinDLX 模拟器中选中 Configuration 菜 单中的 Enable Forwarding 选项 b 手动优化 以图 1 中的一个数据相关为例 交换两条加法指令的顺序可消除数 据相关 multu r1 r1 r4 multu r1 r1 r4 8 add r1 r1 r3 addi r2 r2 1 addi r2 r2 1 add r1 r1 r3 2 消除控制相关 循环展开 将循环体代码复制多次实现 即减少跳转指令执行的次数 循环展开 能够增大指令调度的空间 减少循环分支指令的开销 以 Variance s 中的一个循环体 为例 循环展开一次后 j Loop1 指令执行次数减少了一半 Loop1 Loop1 beqz r6 Average1 beqz r6 Average1 lw r1 PrintfValue r3 lw r1 PrintfValue r3 add r2 r2 r1 add r2 r2 r1 addi r3 r3 4 addi r3 r3 4 subi r6 r6 1 subi r6 r6 1 j Loop1 beqz r6 Average1 lw r1 PrintfValue r3 add r2 r2 r1 addi r3 r3 4 subi r6 r6 1 j Loop1 3 消除结构相关 结构相关的起因是资源争用 考虑采用资源充分重复设置的方法来避免结构相关 在本程序中产生结构相关的原因是乘法器争用 增加一个乘法器可以消除结构相关 具体操作为 在 WinDLX 模拟器中选中 Configuration 菜单中的 Floating Point Stages Configuration 选项 在弹出的对话框中设置 6 程序流程图 1 输入函数 Input s 流程图 9 开始 输入数字n1 n2 回车结束 初始化sum 0 j 1 取n j 其值是否为 10 为换行符 sum放入存储器中 是 结束 n j n j 48 sum sum 10 n j j 否 2 主程序 Variance s 流程图 10 开始 输入数组 大小n i 1 是 否 初始化Loop1 循环数j n j 1 否 j j 1 是 结束 调用输入 子函数 调用输入子 函数 将输入累加 求平均数 初始化Loop2 循环数k n K 1 否 k k 1 是 求第j个数与 平均数的差 将差的平方 累加 求出方差 初始化InputArray 循环数i n i i 1 11 八 实验结论 八 实验结论 1 程序的装入要严格按照顺序 顺序将影响程序的正确执行 2 程序执行顺序 部件的个数都会对程序的执行产生影响 3 为减少数据相关 应调整程序的执行顺序或采用定向技术 4 为减