系统结构实验报告

1、计算机系统结构实验报告实验一 流水线的相关实验目的：1. 熟练掌握WinDLX模拟器的操作和使用，熟悉DLX指令集结构及其特点；2. 加深对计算机流水线基本概念的理解；3. 进一步了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作；4. 加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对CPU性能的影响；5. 了解解决数据相关的方法，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。实验平台：WinDLX模拟器实验内容和步骤：一.用WinDLX模拟器执行下列三个程序：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、连续、设置断点的方式运行程序，观察程序在流水线中的执行情况，

2、观察CPU中寄存器和存储器的内容。熟练掌握WinDLX的操作和使用。1、求阶乘程序fact.s （1）分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序 图1.1.1 求阶乘程序fact.s运行统计数据步进方式运行 图1.1.2 求阶乘程序fact.s运行统计数据连续方式运行 图1.1.3 求阶乘程序fact.s运行统计数据连续方式运行（2）数据统计图1.1.4 求阶乘程序fact.s运行统计数据图1.1.5 求阶乘程序fact.s流水线执行情况图1.1.6 求阶乘程序fact.s寄存器使用情况2、 求最大公倍数程序gcm.s图1.2.1 求最大公倍数程序gcm.s运行统计数据图1.2.2 求最大公倍数

3、程序gcm.s流水线执行情况图1.2.3 求最大公倍数程序gcm.s寄存器使用情况3、求素数程序prim.s 图1.3.1 求素数程序prim.s运行统计数据 图1.3.2 求素数程序prim.s流水线执行情况 图1.3.3 求素数程序prim.s寄存器使用情况 二、用WinDLX运行程序structure_d.s， 通过模拟找出存在资源相关的指令对以及导致资源相关的部件；记录由资源相关引起的暂停时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比；论述资源相关对CPU性能的影响，讨论解决资源相关的方法。图1.4.1 程序structure_d.s流水线执行过程其中，有如下几种情况，产生了资源

4、相关：（1）导致资源相关的部件：浮点数寄存器f4addd f0,f0,f4 指令在译码阶段ID停滞1周期（2）导致资源相关的部件： ALUaddi r2,r2,0x8 指令在执行阶段intEX停滞1周期图1.4.2 程序structure_d.s运行统计信息 由资源相关引起的暂停周期数为：30总执行周期数为：139暂停周期数占总执行周期数的百分比：21.58%分析：资源相关使相关指令在流水线上停滞，降低了执行效率。解决方法：在合理的指令调度范围内，尽量避免执行重复的指令。尽量避免同一寄存器的频繁使用，若无法避免，则使用寄存器换名的方法。3、 在不采用定向技术的情况下（去掉Configurati

5、on菜单中Enable Forwarding选项前的勾选符），用WinDLX运行程序data_d.s 记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的总时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。图1.5.1 不采用定向技术，程序data_d.s运行统计信息 由数据相关引起的暂停时钟周期数为：104 总执行周期数为：202 暂停周期数占总执行周期数的百分比：51.48%在采用定向技术的情况下（勾选Enable Forwarding），用WinDLX再次运行程序data_d.s。重复上述3中的工作，并计算采用定向技术后性能提高的倍数。图1.5.2 采用定向技术，程序data_d.s运行统

6、计信息由数据相关引起的暂停时钟周期数为：30总执行周期数为：128暂停周期数占总执行周期数的百分比：23.44%通过这两个统计可以发现，在使用定向技术下运行程序指令将大幅降低数据相关发生的次数，这大幅提升了CPU的性能。实验二 循环展开及指令调度实验目的：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的理解；2. 熟悉用指令调度技术来解决流水线中的数据相关的方法；3. 了解循环展开、指令调度等技术对CPU性能的改进。实验平台：WinDLX模拟器实验内容和步骤：1用指令调度技术解决流水线中的结构相关与数据相关（1）用DLX汇编语言编写代码文件*.s，程序中应包括数据相关与

7、结构相关（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）程序代码：.data.global ONEONE: .word 1.text.global mainmain:lf f1,ONE cvti2f f7,f1 nop divf f1,f8,f7 divf f2,f1,f7 divf f13,f2,f7divf f10,f3,f7 addf f5,f12,f7 addf f3,f1,f2multf f6,f4,f5Finish: trap 0（2）通过Configuration菜单中的“Floating point stages” 选项，把加法乘法除法部件的个数设置为2个，把延迟都

8、设置为3个时钟周期；图2.1.1 设置运算器数量及时钟周期（3）用WinDLX运行程序。记录程序执行过程中各种相关发生的次数、发生相关的指令组合，以及程序执行的总时钟周期数；图2.1.2 程序执行统计信息如图，程序总共执行了23个时钟周期，共有12个时钟周期的系统停滞。经分析，程序执行过程中出现了结构相关：图2.1.3 流水线执行情况如图，在时钟周期-11、-12时，指令divf f13,f2,f7需要在其执行阶段使用除法运算器，而此时两个除法运算器都在使用中，故产生了器件冲突，结构相关导致该指令在译码阶段停滞2个时钟周期。（4）采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除相关；通过指令调度，程序

9、的执行顺序调整为：.data.global ONEONE: .word 1.text.global mainmain:lf f1,ONE cvti2f f7,f1 nop divf f1,f8,f7 addf f5,f12,f7 multf f6,f4,f5divf f2,f1,f7 divf f10,f3,f7 addf f3,f1,f2divf f13,f2,f7Finish: trap 0（5）用WinDLX运行调度后的程序，观察程序在流水线中的执行情况，记录程序执行的总时钟周期数；图2.1.4 指令调度后，程序执行统计信息图2.1.5 指令调度后，流水线执行情况可见，执行总周期数为21

10、，由于器件冲突产生的结构相关已经部分消除。指令调度后，CPU运行周期是调度前的21/23=0.91倍。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件*.s，程序中包含一个循环次数为4的整数倍的简单循环；程序代码：.datax: .word 1i: .word 4.text.global mainmain: lf f1,x lf f9,i movf f5,f1Loop: eqff9,f0 bfptFinish addf f0,f0,f1 divf f3,f4,f5 j LoopFinish:trap 0（2）用WinDLX运行该程序。记录执行过程中各种相关发生

11、的次数以及程序执行的总时钟周期数；图2.2.1 程序执行统计情况总计执行周期：38总计停滞周期：7 图2.2.2 流水线执行情况（3）将循环展开3次，将4个循环体组成的代码代替原来的循环体，并对程序做相应的修改。然后对新的循环体进行寄存器换名和指令调度；展开后的程序代码：.datax: .word 1i: .word 4.text.global mainmain: lf f1,x lf f9,i movf f5,f1 divf f3,f4,f5 divf f3,f4,f5 divf f3,f4,f5 divf f3,f4,f5 trap 0（4）用WinDLX运行修改后的程序，记录执行过程中各

12、种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数；图2.2.3 循环展开后，程序执行统计情况总计执行周期：20总计停滞周期：13 图2.2.4 循环展开后后，流水线执行情况可见，在相同器件的情况下，指令调度对于提高CPU性能的意义非常重大。实验三 Cache性能分析实验目的： 1 加深对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解； 2 了解Cache的容量、相联度、块大小对Cache性能的影响； 3 掌握降低Cache失效率的各种方法，以及这些方法对Cache性能提高的好处； 4 理解Cache失效的产生原因以及Cache的三种失效； 5 理解LRU与随机法的基本思想，及它们对Cach

13、e性能的影响； 实验平台： SimpleScalar模拟器实验内容及步骤： 1在基本配置情况下运行程序（请指明所选的测试程序），统计Cache总失效次数、三种不同种类的失效次数； 2改变Cache容量（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache容量对Cache性能的影响； 3改变Cache的相联度（1路，2路，4路，8路，64路），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析相联度对Cache性能的影响； 4改变Cache块大小（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache块

14、大小对Cache性能的影响； 5分别采用LRU与随机法，在不同的Cache容量、不同的相联度下，运行程序（指明所选的测试程序）统计Cache总失效次数，计算失效率。分析不同的替换算法对Cache性能的影响。测试程序： 用于实验的测试程序可以使用现有的，即benchmark目录下的所有程序；也可以自己用C 语言直接生成各类典型程序比如：数学运算类、输入输出类等，通过本环境提供的特定C编译器，编译生成对应的xxx.out（默认是a.out）测试程序用于实验。每个测试程序所需时间大概是10分钟，选择测试程序时注意从不同组中选择，以便使得出的结果不会因为对单项有所侧重而有失偏颇。每个人从中选出46个测

15、试程序进行测试。实验内容及步骤：1在基本配置情况下运行程序（请指明所选的测试程序），统计Cache总失效次数、三种不同种类的失效次数；图3.1.1 默认配置下，Cache的失效次数与统计概率2改变Cache容量（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache容量对Cache性能的影响；（1）-dl1:512:32:1:l (*2)图3.1.2 -dl1:512:32:1:l (*2)配置下，Cache的失效次数与统计概率（2）-dl1:1024:32:1:l (*4)图3.1.3 -dl1:1024:32:1:l (*4)配置下，Cache的失

16、效次数与统计概率 （3）-dl1:2048:32:1:l (*8) 图3.1.4 -dl1:2048:32:1:l (*8)配置下，Cache的失效次数与统计概率 （4）-dl1:16384:32:1:l (*64) 图3.1.5 -dl1:16384:32:1:l (*64)配置下，Cache的失效次数与统计概率经分析，扩大Cache容量有助于失效率的降低，提高Cache性能，但在cache集合数达到1024之后并没有明显的变化，这可能是由于饱和造成的。3改变Cache的相联度（1路，2路，4路，8路，64路），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析相联度对Cache性能

17、的影响；（1）-dl1:256:32:2:l （2路）图3.1.6 -dl1:256:32:2:l（2路）配置下，Cache的失效次数与统计概率（2）-dl1:256:32:4:l （4路）图3.1.7 -dl1:256:32:4:l（4路）配置下，Cache的失效次数与统计概率 （3）-dl1:256:32:64:l （64路）图3.1.8 -dl1:256:32:64:l（64路）配置下，Cache的失效次数与统计概率经分析，扩大Cache相连度有助于失效率的降低，提高Cache性能，但是同样在达到4路之后，失效次数的概率不再降低。4改变Cache块大小（*2，*4，*8，*64），运行程

18、序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache块大小对Cache性能的影响；（1）-dl1:256:64:1:l (*2)图3.1.9-dl1:256:64:1:l (*2)配置下，Cache的失效次数与统计概率（2） -dl1:256:64:1:l (*4)（3） 图3.1.10 -dl1:256:64:1:l (*4)配置下，Cache的失效次数与统计概率经分析，扩大Cache块大小明显有助于失效率的降低，提高Cache性能。但是不能超过界限，否则不能命中。5分别采用LRU与随机法，在不同的Cache容量、不同的相联度下，运行程序（指明所选的测试程序）统计Cache总失效次