计算机体系结构实验报告

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1、题目题目: : 计算机体系结构实验计算机体系结构实验 姓姓 名名 赵铭赵铭 学学 院院 计算机学院计算机学院 专专 业业 计算机科学与技术计算机科学与技术 班班 级级 2011211307 学学 号号 2011211303 班内序号班内序号 12 实验二实验二 指令流水线相关性分析指令流水线相关性分析1 1、实验目的实验目的通过使用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。2 2、实验原理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。 3 3、实验步骤

2、实验步骤（1 1） 观察程序中出现的数据观察程序中出现的数据/ /控制控制/ /结构相关。指出程序中出现上述现象的指结构相关。指出程序中出现上述现象的指 令组合。令组合。数据相关指令：数据相关指令：lbu r3,0x0(r2)seqi r5,r3,0xa 不采用定向技术lbu r3,0x0(r2)要在WB周期写回r3中的数据，而下一条指令 seqi r5,r3,0xa 要 在intEX周期中读取r3中的数据。发生了写读相关。所以为了避免冲突，seqi r5,r3,0xa的intEX指令延迟了一个周期进行。控制相关指令：控制相关指令：addi r1, r0 , 0x1000jal InputUn

3、signedmovi2fp f10,r1sw SaveR2r0,r2跳转指令，从执行的Fact.s中的movi2fp指令跳至Input.s中的Unsigned标号 处。开始输入处理结构相关指令：结构相关指令：add r1,r1, r3addi r2, r2, 0x1addi r2, r2, 0x1 该指令与它前面的一条指令 add r1,r1, r3发生了结构相关。 由于上一条指令由于数据相关需要停4个周期，在ID段后停滞，不能进入intEX段， 故 addi r2,r2,0x1 就不能进入ID段，译码部分已经被占用。故发生了结构相关。（2 2） 考察增加浮点运算部件对性能的影响。考察增加浮点

4、运算部件对性能的影响。1个浮点运算单元 3个浮点运算单元同一段代码执行相同步，但是经过对比发现浮点运算部件的多少对于程序 执行效率并没有什么影响，浮点运算部件的多少对统计结果都不造成影响。可 能因为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。（3 3） 考察增加考察增加forwardforward 部件对性能的影响。部件对性能的影响。不使用forwarding 使用forwarding使用forward部件之后执行相同的代码用的时钟周期比不使用forward部件要少。使用forward部件使得RAW相关明显减少了，占总的时钟周期比例也减少了。总之，使用forward部件后，总

5、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，因为我在这里求阶乘输入的数字比较小，执行的指令数目不 是很多，如果代码量比较大使用forward会使机器的处理效率大大提高。（4 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。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。输入10若转移不成功，对流水线的执行无影响，流水线的吞吐率和效率没有降低。 若转移成功，则要废弃预先读入的指令，重新从转移成功处读入指令，每执行 一条条件转移指令，一条x段流水线就有x-2个流水线被浪费掉，执行效率降低， 性能有一定的损失。这里求阶乘的程序转移不成功的概率比较大，对性能有一 定损失，

6、但是损失不是很大。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。4 4、实验总结：、实验总结：通过本次实验对流水线有了深入的了解，软件也从各个角度展示了流水线的 工作过程，让我们直观地看到了数据相关，结构相关和控制相关发生的原因以 及过程，了解了衡量流水线好坏的指标。实验三实验三 DLX 处理器程序设计处理器程序设计1. 实验目的实验目的学习简单编译优化方法，观察采用编译优化方法所带来的性能的提高。2. 实验原理实验原理采用静态调度方法重排指令序列，减少相关，优化程序。3、实验内容和要求、实验内容和要求 自编一段汇编代码，完成一维向量加

7、法运算，并输出结果。观察程序中出现 的数据/控制/结构相关。 （注：使用一维数组表示一维向量。 ） 41 向量加法代码清单及注释向量加法代码清单及注释说明说明 1、向量加法设计源代码、向量加法设计源代码 .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、2Printf1: .asciiz “Vector =“ Printf2: .ascii

8、z “ %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,f0 ；加法运算Finish:;* Finish,write res

9、ult 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 2、运行结果、运行结果 51 程序相关性分析结果程序相关性分析结果 （1） 观察程序中出现的数据观察程序中出现的数据/ /控制控制/ /结构相关。指出程序中出现上述现象的指结构相关。指出程序中出现上述现象的指 令组合。令组合。产生产生 34.12%的数据相关。的数据相关。当对当前指令的操作数寄存器进行操作的时候，前几 条指令的运算结果还未写回结果寄存器

10、，由此产生数据相关。没有产生结构相关。没有产生结构相关。产生产生 3.94%的控制相关。的控制相关。系统按照预测成功来执行指令，执行一条指令后马上将其下一条指令 trap 读进来。（2 2）考察增加浮点运算部件对性能的影响。）考察增加浮点运算部件对性能的影响。1 个浮点运算单元 3 个浮点运算单元 同一段代码执行相同步，但是经过对比发现浮点运算部件的多少对于程序执行 效率并没有什么影响，浮点运算部件的多少对统计结果都不造成影响，可能是 由于该程序不存在争用浮点运算部件资源的情况（3）考察增加考察增加forwardforward 部件对性能的影响。部件对性能的影响。不使用 forwarding

11、使用 forwarding 使用forward部件之后执行相同的代码用的时钟周期比不使用forward部件少了大约100个时钟周期，由于没有结构相关，所以使用forward部件主要使得RAW相 关明显减少了，占总的时钟周期比例也减少了，对控制相关没有什么影响。总之，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 能得到很大的改善。（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。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。在本次实验中转移成功的几率比较大，进行 16 次转移只有一次转移不成功的，因为系统按照预测成功来执行指令，当判断转移不成功时，系统对

12、 trap 指令进 行的操作被全部作废，转而去执行跳转到的指令。42 双精度浮点加法求和代码清单及注释说明双精度浮点加法求和代码清单及注释说明 1、双精度浮点加法求和源代码、双精度浮点加法求和源代码 .data ;初始化两个用于相加的一维向量（双精度浮点数） ，向量长度为 20 a: .double 1.9, 2.1, 3.7, 4.6, 5.5, 6.4, 7.3, 8.2, 9.1, 10.1, 11.2,12.3,13.4,14.5,15.6,16.7,17.8,18.9,19.0,20.2 b: .double 1.1, 2.2, 3.3, 4.4, 5.5, 6.6, 7.7, 8.

13、8, 9.8, 10.9, 11.8,12.7,13.6,14.5,15.4,16.3,17.2,18.1,19.9,20.8 PrintfFormat:.asciiz “The result is nn%ft%ft%ft%ft%ft%ft%ft%ft%ft%ft%ft%ft%ft%ft%ft%ft%ft%ft%ft%ftnn“ .align 2 PrintfPar: .word PrintfFormat r: .space 200 ;r 为保存相加结果的向量空间 .text .global main main: addi r1,r0,0 ;r1 计数相加的次数 addui r4,r0,8 ;

14、r4 为常数 8 loop: ;循环计算向量相加结果 subi r2,r1,20 ;r1=20 时，跳转到 finish beqz r2,finish multu r3,r1,r4;r3 为当前分量相对于向量基址的偏移(每个分量占 8B) ld f0,a(r3) ;取 a 中第 r1 个分量 ld f2,b(r3) ;取 b 中第 r1 个分量 addd f4,f0,f2 ;相加结果放在 f4 中 sd r(r3),f4 ;将相加结果放入结果向量 r 中 addi r1,r1,1 ;下一分量 j loop finish: ;输出向量相加的结果 addi r14,r0,PrintfPar tra

15、p 5 2、运行结果：、运行结果：52 程序相关性分析结果程序相关性分析结果（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。产生了产生了 53.78%53.78%的数据相关。的数据相关。当对当前指令的操作数寄存器进行操作的时候，前 几条指令的运算结果还未写回结果寄存器，由此产生数据相关。产生数据相关 的指令主要有：1) addi r1,r0,0 subi r2,r1,20 2) subi r2,r1,20 beqz r2,finish 3) multu r3,r1,r4 ld f0,a(r3) 4) ld f2,b(r3) addd f4,f0,f2 无结构相关无结构相关产生了产生了 4.29%的控制相关。的控制相关。