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1、. . 实验报告学 院： 计算机学院 课程名称： 计算机系统结构 实验名称： WINDLX模拟器实验 班 级： 姓 名： 学 号： 实验一 WINDLX模拟器安装及使用略实验二 指令流水线相关性分析一 实验类别验证实验二 实验目的通过使用WINDLX模拟器，对程序中的三种相关现象进行观察，并对使用专用通路，增加运算部件等技术对性能的影响进行考察，加深对流水线和RISC处理器的特点的理解。三 实验环境Windows XP操作系统WinDLX模拟器四 实验原理指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。相关影响流水线性能。（1） 数据相关 定义：原有先后顺序的两条指令（I1，I2)在对共享变量
2、（位置）进行读、写时，指令流水线中实际完成的读、写顺序与原有顺序不一致，导致流水线输出错误。 三类数据相关：写读(WR)相关 读写(RW)相关 写写(WW)相关 解决方法技术： 1. 使某些流水线指令延迟、停顿一或多个周期。2.双端口存储器:如果指令和数据放在同一个存储器。3.设置两个存储器：一个数据存储，一个为指令存储器。4.软件优化编译：通过指令重新排序，消除数据相关。5.定向技术：又称旁路技术或专用通路技术，是使后续指令提前得到前指令的运算结果(适合ALU类指令） （2）结构相关 定义：如果某指令在流水线重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，会产生资源冲突或竞争，称为流水线
3、结构相关 解决方法技术： 1. 延迟技术：使某些指令延迟、停顿一或多个时钟周期 2. 双端口存储器：允许同时读两个数据或指令 3. 设置双存储器（哈弗结构）：一个数据存储，一个指令存储。 4软件优化编译：通过指令重新排序消除结构相关。 （3）控制相关 定义：控制相关是指因程序执行转移类指令而引起的冲突相关。包括无条件转移、条件转移、子程序调用、中断等，它们属于分支指令，执行中可能改变程序方向，造成流水线断流。解决方法技术： 1、 静态分支技术 静态转移预测技术(猜测法) ； 延迟转移； 提前形成条件码，生成转移目标地址； 改进循环程序 ；2、 动态分支预测技术 转移历史表BHT； 转移目标缓冲
4、栈（BTB）；转移目标指令缓冲栈BTIB；五 实验步骤（1） 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。（2） 考察增加浮点运算部件对性能的影响。（3） 考察增加forward部件对性能的影响。（4） 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（2）以外，浮点加、乘、除部件都只有一个； 本问题中所有浮点运算部件的延时都请设定为4个周期。六 实验过程在开始模拟之前，将fact.s和input.s加载至WinDLX中。加载完后点击Code后可以看到如下图所示。证明加载成功，即可进行以下实验。（1）观察程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中出现上
5、述现象的指令组合。1.1. 数据相关 如图所示lbu r3,00(r2)要在WB周期写回r3中的数据；而下一条指令seqi r5,r3,0a要在intEX周期中读取r3中的数据。上述过程发生了WR冲突，即写读相关。为了避免此类冲突，seq r5,r4,0a的intEX指令延迟了一个周期进行。则发生数据相关的指令为 1.2控制相关可知第0*00000130条指令jfact.Loop为循环指令，指令在EX时刻才能判别指令是否发生转移，此时发生了控制相关。如下所示，此时指令跳转成功，故顺序取出的指令必须中断，并且转向取出转移到的指令。jfact.Loop在EX时发现跳转成功，则在EX阶段马上结束指令
6、顺序取出的指令sd PrintfValue(r0),f0，转而执行led f0/4指令的取指阶段ID。由于此控制相关使得流水线断流一个时钟周期。1.3 结构相关上图表明了addi r2,r2,01的详细信息。该指令与它前一条指令add r1,r1,r3发生了结构相关。并且由于此处的冲突，需要暂停2个周期。在ID段暂停后，则开始进图intEX段。所以这条指令（addi r2,r2,01）你不能进入ID流水段，译码部分占用，发生了结构相关。该部分的指令为：（2） 考察增加浮点运算部件对性能的影响。 取N=12设置浮点运算部件的配置。由于实验手册上面要求Delay=4，所以我们将Delay这一栏改成
7、4，而Count可以任意，为了对比，我们第一次浮点运算部件取全部为2，第二次浮点运算部件取全部为4。分别运行50个cycles后，数据对比如下： 比较各个数据，发现没有变化。无论怎么增加浮点运算部件，统计结果都一样。原因在于此程序中浮点计算指令没有重叠，所以并行度没有增加，性能没有提高。所以，浮点运算部件的增减对效率无影响。（3）考察增加forward部件对性能的影响。为了对比有无forward部件的性能。需要在勾选enable forwarding，以及不勾选enable configuration来看性能数据的对比。不使用forward部件： 使用forward部件： 从上面的数据我们可以
8、看出增加forward部件后，总的周期数由200减少至158，RAW由原来占总时钟周期的32.5%减少至16.46%，RAW个数由原来的65减少至26。增加forward部件使得控制相关比例增加了。所以，使用forward部件后，总的时钟周期减少，数据相关减少，流水线的性能得到一定的改善。（4）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。可知条件分支指令总共有15条，其中有2条转移成功（13.33%），有13条转移不成功。 转移不成功的指令就顺序执行，故不会影响程序的运行，不会导致流水线断流；而转移成功的指令会导致流水线的断流，要废弃预先读入的指令，重新从转移成功处读入指令，执行效率会
9、下降。经分析可知，两次断流都会导致一个周期的流水线断流。七 实验总结1.在流水线中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，会产生资源冲突或竞争，称为流水线结构相关，而解决流水线相关的途径之一是设置双存储器（哈弗结构）：一个数据存储，一个指令存储。实际上，本身实现DLX指令的硬件设备已经考虑到了这一点，本身已有两个存储器，一个为数据存储器，一个为指令存储器。故本身就解决了部分结构相关问题。并且fact.s中的指令并不会导致其他资源冲突，故无法体现资源相关。 试验中多加入浮点数部件，运行效率等没有变化。通过观察指令的运行情况，因为不会发生结构相关（硬件资源冲突），在流水线中的部件线性使用，故加入部件
10、也不会对结果有直接的影响。2.本次实验，主要通过对于三种相关的观察，分析出现相关时的指令，分析浮点运算部件和forward部件对性能的影响，观察转移指令在转移成功和不成功时的流水线开销，这些实验一步一步，通过WinDLX形象生动的表示，使我在实践中更加深入的认识了流水线。 3. 通过本次实验，我熟悉了指令执行的每个阶段的任务，对时空图的理解也更深了一步，对流水线中的三种相关性问题有了认识，同时通过此实验学习到了解决这些相关问题的方法，从而对课上所学的知识有了更系统的认识。实验三 DLX处理器程序设计一 实验类别 综合型实验二 实验目的学习使用DLX汇编语言编程，进一步分析相关现象三 实验环境W
11、indows XP操作系统DLX汇编语言环境四 实验原理掌握向量运算算法和编程方法。五 实验步骤（1） 熟悉DLX汇编语言。（2）编写两双精度浮点一维向量的加法运算程序。（3）对此程序完成上面实验二中1)、2)、3)、4)方面的分析。六 实验过程（1） 代码清单和注释说明.data VectorLength: .word 16 Vector1: .word 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 Vector2: .word 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 ; 声明向量长度 以及声明向量 1、2 Printf1
12、: .asciiz Vector = Printf2: .asciiz %f .align 2 PrintPrompt: .word Printf1 PrintPar: .word Printf2 Result: .space 4 ; 存放打印数据的空间申请 .text main: addi r14,r0,PrintPrompt trap 5 lw r20,VectorLength addi r2,r0,0 Loop: ld f10,Vector1(r2) ld f12,Vector2(r2) ; 循环体中读入向量 cvti2d f0,f10 cvti2d f2,f12 addd f4,f2,
13、f0 ; 加法运算 Finish:;* Finish,write result into stdout sd Result,f4 addi r14,r0,PrintPar trap 5 ; 系统中断，输出结果 addi r2,r2,4 subi r20,r20,1 bnez r20,Loop ;End trap 0运行结果（2）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。无结构相关，有控制相关15次和数据相关64次。数据相关：以当对当前指令的操作数寄存器进行操作（EX）的时候，前几条指令的运算结果还未写回（WB）结果寄存器，由此产生数据相关。 结构相关：由于只做了一次加法，所以没有产生结构相关第一条命令在WB段，第二条命令在intEX段，第四条命令在IF段。而第三条命令指示为aborted。此处发生了控制相关。（3） 考察增加浮点运算部件对性能的影响。设置浮点运算部件的配置。由于实验手册上面要求Delay=4，所以我们将Delay这一栏改成4，而Count可以任意，为了对比，我们第一次浮点运算部件取全部为2，第二次浮点运算部件取全部为4。数据对比如下： 比较各个数据，发现没有变化。无论怎么增加浮点运算部件，统计结果都一样。原因在于此程序中浮点计算指令没有
