计算机系统结构实验报告

1、-. z.计算机系统构造实验报告一流水线中的相关实验目的：1. 熟练掌握WinDL*模拟器的操作和使用，熟悉DL*指令集构造及其特点；2. 加深对计算机流水线根本概念的理解；3. 进一步了解DL*根本流水线各段的功能以及根本操作；4. 加深对数据相关、构造相关的理解，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：WinDL*模拟器实验容和步骤：1.用WinDL*模拟器执行以下三个程序：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

2、执行情况，观察CPU中存放器和存储器的容。熟练掌握WinDL*的操作和使用。 2. 用WinDL*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。 3. 在不采用定向技术的情况下去掉Configuration菜单中Enable Forwarding选项前的勾选符，用WinDL*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。 在采用定向技术

3、的情况下勾选Enable Forwarding，用WinDL*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。1. 求阶乘程序用WinDL*模拟器执行求阶乘程序 HYPERLINK .mdj*.net/course/hep/jisuanjiti*ijiegou/simulation/e*periment1.htm l # fact.s 。这个程序说明浮点指令的使用。该程序从标准输入读入一个整数，求其阶乘，然后将结果输出。该程序中调用了 HYPERLINK .mdj*.net/course/hep/jisuanjiti*ijiegou/simulation/

4、e*periment1.htm l # input.s中的输入子程序，这个子程序用于读入正整数。实验结果：在载入fact.s和input.s之后，不设置任何断点运行。a.不采用重新定向技术，我们得到的结果b.采用定向技术，我们得到的结果：从上面的数据我们可以看出定向的作用：在定向技术存在的情况下Statistics 窗口中的各种统计数字：总的周期数(215) 和暂停数 (17 RAW, 25 Control, 12 Trap; 54 Total)在定向技术不存在时候，控制暂停和 Trap 暂停仍然是同样的值，而RAW暂停从17变成了53，总的模拟周期数增加到236。所以定向技术带来的加速比：2

5、36 / 215 = 1.098DL*forwarded比 DL*not forwarded 快9.8%。2.数据相关先给出一个存在数据相关的程序：LHI R2, (A16) & 0*FFFF ADDUI R2, R2, A & 0*FFFF LHI R3, (B16)&0*FFFF ADDUI R3, R3, B&0*FFFF loop: LW R1, 0 (R2) ADD R1, R1, R3 SW 0(R2), R1 LW R5, 0 (R1) ADDI R5, R5, #10 ADDI R2, R2, #4 SUB R4, R3, R2 BNEZ R4, loop TRAP #0 A:

6、 .word 0, 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32, 36 B: .word 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0没有采用定向技术时运行该程序：得到程序执行了202个周期，10个数据相关引起的时钟周期RAW stall为104个。暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比=51.48%采用定向技术时运行该程序：得到程序执行了128个周期，共有6个数据相关引起的时钟周期RAW stall为30个。暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比=23.44%可见通过定向技术，减少了数据相关，缩短了程序的执行周期，整个性能为原来的1.57倍。3.构造相关下面这段程序存在

7、构造相关ADDI R5, R5, 1SUBI R4, R4, 1AND R3, R3, R3*OR R7, R7, R7ADDI R8, R8, 1ADDI R9, R9, 1MULT R1,R5,R4 MULT R2,R3,R7执行之后得到的clock cycle programeStatistics:可见1个构造相关引起了4个stall，占总共20个CYCLE 的20%为了防止构造相关，可以考虑采用资源重复的方法，比方，在流水线机器中设置相互独立的指令存储器和数据存储器，也可以将CACHE分割成指令CACHE 和数据CACHE。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

8、度技术、循环展开技术以及存放器换名技术的理解；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性能的改良。实验平台：WinDL*模拟器实验容和步骤：1用指令调度技术解决流水线中的构造相关与数据相关1用DL*汇编语言编写代码文件*.s，程序中应包括数据相关与构造相关假设：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，把延迟都设置为3个时钟周期；3用WinDL*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

9、令组合，以及程序执行的总时钟周期数；4采用指令调度技术对程序进展指令调度，消除相关；5用WinDL*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；6根据记录结果，比拟调度前和调度后的性能。论述指令调度对于提高CPU性能的意义。2. 用循环展开、存放器换名以及指令调度提高性能1用DL*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；2用WinDL*运行该程序。记录执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数；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展存放器换名和指令调度；4

10、用WinDL*运行修改后的程序，记录执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数；5根据记录结果，比拟循环展开、指令调度前后的性能。3)存在相关的程序1.指令调度：首先，通过Configuration菜单中的Floating point stages选项，把除法单元数设置为3，把加法乘法除法的延迟设置为3个时钟周期。给出调度前的程序sch_bef:.data.global ONEONE: .word 1.te*t.global mainmain:lf f1,ONE ;turn divf into a movecvti2f f7,f1 ;by storing in f7 1 innop

11、 ;floating-point formatdivf f1,f8,f7 ;move Y=(f8) into f1divf f2,f9,f7 ;move Z=(f9) into f2addf f3,f1,f2divf f10,f3,f7 ;move f3 into *=(f10)divf f4,f11,f7 ;move B=(f11) into f4divf f5,f12,f7 ;move C=(f12) into f5multf f6,f4,f5divf f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13)Finish: trap 0运行之后可以得到结果：调度之后的程序sch_af

12、t:.data.global ONEONE: .word 1.te*t.global mainmain:lf f1,ONE ;turn divf into a movecvti2f f7,f1 ;by storing in f7 1 innop ;floating-point formatdivf f1,f8,f7 ;move Y=(f8) into f1divf f2,f9,f7 ;move Z=(f9) into f2divf f4,f11,f7 ;move B=(f11) into f4divf f5,f12,f7 ;move C=(f12) into f5addf f3,f1,f2mu

13、ltf f6,f4,f5divf f10,f3,f7 ;move f3 into *=(f10)divf f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13)Finish: trap 0运行之后得到：可以看出经过调度之后运行周期从27减少到21，而且减少了相关。2.循环展开：循环展开前的程序：LHI R2, (A16)&0*FFFF ADDUI R2, R2, A&0*FFFF LHI R3, (B16)&0*FFFF ADDUI R3, R3, B&0*FFFF ADDU R4, R0, R3 NOP loop: SUBI R4, R4, #8 SUB R5, R4, R2 BNEZ R5, loop TRAP #0 A: .double 1, 2, 3, 4 B: .double 1, 2, 3, 4运行结果：循环展开后的程序：LHI R2, (A16)&0*FFFF ADDUI R2, R2, A&0*FFFF LHI R3, (B16)&0*FFFF ADDUI R3, R3, B&0*FFFF ADDU R4, R0, R3 SUBI R4, R4, #8 SUBI R4, R4, #8 SUBI R4,