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1、北京邮电大学实验报告课程名称 计算机系统结构计算机学院 2016111303班王陈(2016110711)目录实验一 WINDLX模拟器安装及使用3实验准备错误！未定义书签。实验环境错误！未定义书签。实验步骤错误！未定义书签。实验内容及要求错误！未定义书签。实验过程错误！未定义书签。实验总结8实验二 指令流水线相关性分析9实验目的9实验环境9实验步骤9实验过程错误！未定义书签。实验总结16实验三 DLX处理器程序设计17实验目的17实验环境错误！未定义书签。实验步骤错误！未定义书签。实验过程17A.向量加法代码及性能分析17B.双精度浮点加法求和代码及结果分析22实验总结27实验四 代码优化2
2、8实验目的28实验环境错误！未定义书签。实验原理28实验步骤错误！未定义书签。实验过程28实验总结+实习体会33实验五 循环展开34实验目的34实验环境错误！未定义书签。实验原理34实验步骤错误！未定义书签。实验过程34矩阵乘程序代码清单及注释说明34相关性分析结果39增加浮点运算部件对性能的影响39增加forward部件对性能的影响39转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销39实验总结+实习体会+课程建议39实验一 WINDLX模拟器安装及使用WinDLX模拟器的结构和功能说明1.点击运行之后，会看到一个如下图所示的窗口。它包括Register, Code, Pipeline, Cl
3、ock Cycle Diagram, Statistics, Breakpoints。接下来详细介模拟器的结构及各个部件的功能。2.Register窗口介绍Rigister窗口中显示的是各个寄存器的名称及内容。如下图：可以看到寄存器中以十六进制标识，从上图可以看出各个寄存器中的内容。2.Code窗口介绍 在没有进行任何执行的时候，初次打开code窗口，即为下图所示窗口现实的信息是各个存储器内同。第一列标识存储器的地址；第二列是机器代码，用16进制表示；第三列是汇编指令。当我们点击上方的，可以选择单步或多步执行（也可以使用快捷键F7或F8）。若选择单步执行，每按一次F7，指令执行一次，可以看到，
4、一次执行的为IF-ID-intEX-MEM-WB，没执行一次还有颜色的变化。颜色是用来标识指令处于哪个流水段的，如下图。当然，我们也可以使用多步执行，按快捷键F8，选择5步流水，即可。3.Pipeline窗口介绍通过阅读WinDLX模拟器说明书可以知道，Pipeline窗口显示的是DLX处理器的内部结构。窗口用下图标识DLX五段流水。当然，如同Code窗口介绍讲述的那样，不同的颜色显示了指令处于哪段流水线。使用快捷键F7单步执行，可以明显的看出，不同时候流水段执行的不同指令。如下图。图片反映的正式与Code中所处的时刻相同的指令流水。可以清晰看到不同流水段执行的是哪条指令。4.Clock Cy
5、cle Diagram窗口实验准备中我们已经知道，该窗口显示的是流水线的时空图。时空图反映的是不同时隙内的运行情况。如下图。在我看来，时空图是最好理解的。因为它反映的就是流水段的并行程度。在这个DLX模拟器中，并不存在一些数据或者控制上的冲突问题。所以可以依靠上图很清晰的看到指令所处的不同流水段，及指令执行情况。该时空图同样也是和前面的Code等相对应。也可以通过快捷键F7来进一步执行指令，可以看到流水线时空图的扩展情况。任意双击指令的一行，可以详细看到不同流水段的情况。如下图所示。5.Statistics窗口介绍该窗口是对运行程序中的数据进行分析。主要包括模拟器中硬件配置情况，在该窗口中，我
6、们可以比较不同配置对于该模拟器的不同影响。如下图所示。1） 整体指令执行情况2） 硬件配置情况3） 暂停次数和百分比及原因分析4） 分支次数和百分比5） Load/Store指令执行情况6） 浮点指令执行次数和百分比 7） trap发生的次数和百分比6.Breakpoints窗口介绍该窗口使用来观察代码运行情况。先打开Breakpoints窗口，点击窗口上方的来设置breakpoint，也就是设置指令运行到流水线的哪个阶段程勋停止执行。如上图，如果选择EX阶段，在Code窗口中相应的行会出现BEX，即指令执行到译码结束执行开始的时候，程序将中止。实验总结通过本次试验，由于是第一次接触DLX模拟
7、器，该试验能够帮助我对这个模拟器大致的功能及使用做个大致的了解。对于日后的实验打下好的基础。我觉得WinDLX模拟器小而精悍，它有不同颜色的标记， 不同寄存器及存储器的反映。通过使用它，可以对5步流水的过程及不同阶段很清楚明白的看到。也可以看到不同指令分析走到了哪一步，到了哪一步流水段。实验二 指令流水线相关性分析实验目的通过使用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。实验环境Windows XP操作系统WinDLX模拟器实验步骤1.观察程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中出
8、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。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。1） 数据相关如下图所示，在Clock Cycle Diagram窗口所想是的时空图中和Pipeline窗口中的流图中，第一次出现了R-Stall。接下来可以点击上图中的橘色窗口，则屏幕显示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
9、避免此类冲突，seq r5,r4,0a的intEX指令延迟了一个周期进行。由此，相关指令为：2） 控制相关由上图可以看出，在第4时钟周期：第一条指令处于MEM段；第二条命令处于intEX段；第三条指令出于aborted状态；第四条命令处于IF段。原因分析：jal InputUnsigned是无条件分支指令，但当第三个周期开始的时候，也就是jal这条指令被译码后才知道。此时，movi2fp已经执行，且将要执行的下一条命令在另外一个地址处，所以这条指令不会执行，这个时候就会发生控制相关。由此，发生控制相关的指令为：3） 结构相关首先，我们先来看一下执行过控制相关的时空图和Pipeline，如下图。
10、当我们点击Pipeline中IF所对应的框框可以看到详细的该指令执行情况，如下图：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。该实验取N=6首先通过，点击Floating Point Stage Configuration来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
11、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3。如下图所示：运行50个cycles之后，可以看到他们数据的对比：由此可见，浮点运算部件的增减对效率无影响。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。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。需要在中勾选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
12、部件：从上面的数据我们可以看出增加forwardi部件后RAW由原来占总时钟周期的26%减少至18%，RAW个数由原来的13减少至9。增加forward部件使得控制相关比例增加了。即，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。3. 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。我们假设，浮点部件设置Count=3，Delay=4;N=6。执行完毕后，查看条件转移分支，如下图所示：由上图可知，转移指令一共8条，成功转移2条（占25%），不成功为6条。所以，静态指令调度算法只能解决数据相关，条件转移结果与原来相比没有变化。即，若转移不成功，对流水线
13、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，执行效率会下降。实验总结本次试验中，主要遇见一个问题，就是在当初文件加载时没有成功，后来通过查询资料和自己的尝试，发现，在选择文件的顺序很关键，它决定了文件在存储器中出现的顺序。本次实验，主要通过对于三中相关的观察，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。实验三 DLX处理器程序设计实验目的学习使用DLX汇编语言编程，进一步分析
14、相关现象实验过程A. 向量加法代码及性能分析首先给据题目要求，需要熟练掌握DLX编程语言，然后根据规范格式编写向量的代码。1) 向量声明VectorLength:.word16 /声明向量长度Vector1:.word1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 /声明两个向量Vector1和Vector2Vector2:.word1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16Result:.space4 /声明一个空间来存放打印的数据Loop:/循环体ldf10,Vector1(r2)ldf12,Vector2(r2)/读入两个提前声明的向量add
