计算机系统结构实验报告

1、.计算机系统结构实验报告一流水线中的相关 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： 1.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

2、序在流水线中的执行情况，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。 2. 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。 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

3、比。 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。1. 求阶乘程序用windlx模拟器执行求阶乘程序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，我们得到的结果精品.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

4、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：236 / 215 = 1.098dlxforwarded比 dlxnot 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) & 0xffff addui r2, r2, a & 0xffff lhi r3, (b16)&0xffff addui

5、 r3, r3, b&0xffff 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: .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：得到精品.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

6、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.结构相关下面这段程序存在结构相关addi r5, r5, 1subi r4, r4, 1and r3, r3, r3xor 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 programe精品.

7、statistics:可见1个结构相关引起了4个stall，占总共20个cycle 的20%为了避免结构相关，可以考虑采用资源重复的方法，比如，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

8、写代码文件*.s，程序中应包括数据相关与结构相关（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） （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； （4）采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除相关； 精品.（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； （6）根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。论述

9、指令调度对于提高cpu性能的意义。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； （2）用windlx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行寄存器换名和指令调度； （4）用windlx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，比较循环展开、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con

10、figuration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.text.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 f2ad

11、df f3,f1,f2divf f10,f3,f7 ;move f3 into x=(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：精品.调度之后的程序sch_aft:.data.global oneone: .word 1.text.global mainmain:lf f1,one ;turn divf into a movecvti2f

12、 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,f2multf f6,f4,f5divf f10,f3,f7 ;move f3 into x=(f10)divf f13,f6,f7 ;move f6 into a=(f13)finish

13、: 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)&0xffff 精品. addui r2, r2, a&0xffff lhi r3, (b16)&0xffff addui r3, r3, b&0xffff 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)&0xffff addui r2, r2, a&0xffff lhi r3, (b16)&0xffff addui r3, r3, b&0xffff addu r4, r0, r3 subi r4, r4, #8 subi r4, r4, #8 subi r4, r4, #8 精品. subi r4, r4, #8 tra