计算机体系结构实验报告.docx
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计算机体系结构实验报告
实验一流水线中的相关
一.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。
二.实验平台
WinDLX模拟器
3.预备知识
1.WinDLX
WinDLX模拟器是一个图形化、交互式的DLX流水线模拟器,能够演示DLX流水线
是如何工作的。
该模拟器可以装载DLX汇编语言程序(后缀为“.s”的文件),然后单步、设
断点或是连续执行该程序。
CPU的寄存器、流水线、I/O和存储器都可以用图形表示出来,
以形象生动的方式描述DLX流水线的工作过程。
模拟器还提供了对流水线操作的统计功能,
便于对流水线进行性能分析。
有关WinDLX的详细介绍,见WinDLX教程。
2.熟悉WinDLX指令集和WinDLX源代码的编写
3.复习和掌握教材中相应的内容
(1)DLX基本流水线
(2)流水线的结构相关与数据相关
结构相关:
当指令在重叠执行过程中,硬件资源满足不了指令重叠执行的要求,
发生资源冲突时,将产生“结构相关”。
数据相关:
当一条指令需要用到前面指令的执行结果,而这些指令均在流水线中
重叠执行时,就可能引起“数据相关”。
(3)定向技术的主要思想:
在发生数据相关时,等待前面计算结果的指令并不一定真的
马上就用到该计算结果,如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其他指令
需要它的地方,就可以避免暂停。
4.实验内容及结果
1.用WinDLX模拟器执行下列三个程序(任选一个):
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。
注意:
fact.s中调用了input.s中的输入子程序。
load程序时,要两个程序一起装入
(都select后再点击load)。
gcm.s也是如此。
说明:
此实验我们选择:
求阶乘程序fact.s
1)用WinDLX模拟器执行求阶乘程序fact.s。
2)程序的作用:
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。
3)实验结果:
i.分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序
图1.求阶乘程序fact.s运行统计数据步进方式运行
图2求阶乘程序fact.s运行统计数据连续方式运行
图3求阶乘程序fact.s运行统计数据连续方式运行
ii.数据统计
图1.1.4求阶乘程序fact.s运行统计数据
图5求阶乘程序fact.s流水线执行情况
图6求阶乘程序fact.s寄存器使用情况
iii.定向非定向分析
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:
结果分析
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(17RAW,25Control,12Trap;54Total)
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:
S=236/215=1.098
因此:
DLXforwarded比DLXnotforwarded快9.8%。
2.用WinDLX运行程序structure_d.s,通过模拟:
找出存在结构相关的指令对以及导致结构相关的部件;
记录由结构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;
论述结构相关对CPU性能的影响,讨论解决结构相关的方法。
1)模拟结果:
图2.1程序structure_d.s流水线执行过程
图2.2程序structure_d.s运行统计信息
2)结构相关
i.如图,导致结构的部件:
浮点数寄存器f4
adddf0,f0,f4指令在译码阶段ID停滞1周期
ii.如图导致结构相关的部件:
ALU
addir2,r2,0x8指令在执行阶段intEX停滞1周期
3)结果分析
由资源相关引起的暂停周期数为:
30
总执行周期数为:
139
暂停周期数占总执行周期数的百分比:
21.58%
分析:
资源相关使相关指令在流水线上停滞,降低了执行效率。
4)解决办法
在合理的指令调度范围内,尽量避免执行重复的指令。
尽量避免同一寄存器的频繁使用,若无法避免,则使用寄存器换名的方法。
也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。
3.在不采用定向技术的情况下(去掉Configuration菜单中EnableForwarding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比。
1)实验结果:
没有采用定向技术时运行该程序,我们得到:
2)结果分析:
程序执行了202个周期,10个数据相关引起的时钟周期RAWstall为104个。
暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比=51.48%
4.在采用定向技术的情况下(勾选EnableForwarding),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)实验结果:
采用定向技术时运行该程序,我们得到:
2)结果分析:
程序执行了128个周期,共有6个数据相关引起的时钟周期RAWstall为30个。
暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比=23.44%
五.总结
实验二循环展开及指令调度
一.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。
二.实验平台
WinDLXsimulator
4.预备知识
1.WinDLX模拟器的相关知识,详见相关的文档。
2.复习和掌握教材中相应的内容:
(1)循环级并行性
(2)指令调度
(3)循环展开
(4)寄存器换名
5.实验内容及结果
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)
给出调度前的程序sch_bef:
.data
.globalONE
ONE:
.word1
.text
.globalmain
main:
lff1,ONE;turndivfintoamove
cvti2ff7,f1;bystoringinf71in
nop;floating-pointformat
divff1,f8,f7;moveY=(f8)intof1
divff2,f9,f7;moveZ=(f9)intof2
addff3,f1,f2
divff10,f3,f7;movef3intoX=(f10)
divff4,f11,f7;moveB=(f11)intof4
divff5,f12,f7;moveC=(f12)intof5
multff6,f4,f5
divff13,f6,f7;movef6intoA=(f13)
Finish:
trap0
(2)通过Configuration菜单中的“Floatingpointstages”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;
调度之后的程序sch_aft:
.data
.globalONE
ONE:
.word1
.text
.globalmain
main:
lff1,ONE;turndivfintoamove
cvti2ff7,f1;bystoringinf71in
nop;floating-pointformat
divff1,f8,f7;moveY=(f8)intof1
divff2,f9,f7;moveZ=(f9)intof2
divff4,f11,f7;moveB=(f11)intof4
divff5,f12,f7;moveC=(f12)intof5
addff3,f1,f2
multff6,f4,f5
divff10,f3,f7;movef3intoX=(f10)
divff13,f6,f7;movef6intoA=(f13)
divff10,f3,f7;movef3intoX=(f10)
divff13,f6,f7;movef6intoA=(f13)
Finish:
trap0
(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。
论述指令调度对于提高CPU性能的意义。
意义:
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.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;
循环展开前的程序:
LHIR2,(A>>16)&0xFFFF
ADDUIR2,R2,A&0xFFFF
LHIR3,(B>>16)&0xFFFF
ADDUIR3,R3,B&0xFFFF
ADDUR4,R0,R3
NOP
loop:
SUBIR4,R4,#8
SUBR5,R4,R2
BNEZR5,loop
TRAP#0
A:
.double1,2,3,4
B:
.double1,2,3,4
(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;
LHIR2,(A>>16)&0xFFFF
ADDUIR2,R2,A&0xFFFF
LHIR3,(B>>16)&0xFFFF
ADDUIR3,R3,B&0xFFFF
ADDUR4,R0,R3
SUBIR4,R4,#8
SUBIR4,R4,#8
SUBIR4,R4,#8
SUBIR4,R4,#8
TRAP#0
A:
.double1,2,3,4
B:
.double1,2,3,4
循环展开后的程序:
(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。
结论:
可以看出经过循环展开之后运行周期从30减少到14,而且减少了相关。
五.总结
实验三记分牌算法和Tomasulo算法
一.实验目的
1.掌握DLXview模拟器的使用方法;
2.进一步理解指令动态调度的基本思想,了解指令动态调度的基本过程与方法;
3.理解记分牌算法和Tomasulo算法的基本思想,了解它们的基本结构、运行过程;
4.比较分析基本流水线与记分牌算法和Tomasulo算法的性能及优缺点。
二.实验平台
DLXview模拟器
三.预备知识
1.DLXview模拟器
2.复习和掌握教材中相应的内容
1)指令的动态调度
2)乱序流水线
3)为了允许乱序执行,我们将基本流水线的译码阶段再分为两个阶段:
4)记分牌技术的目标:
在资源充足时,尽可能早地执行没有数据阻塞的指令,达到每个
时钟周期执行一条指令。
5)Tomasulo算法将记分牌的关键部分和寄存器换名技术结合在一起,其基本核心是通过
寄存器换名来消除写后写和先读后写相关可能引发的流水线阻塞。
6)Tomasulo算法的基本思想
四.实验内容及结果
1.用DLX汇编语言编写代码文件*.s(程序中应包括指令的数据相关、控制相关以及结构相关),以及相关的初始化寄存器文件*.i和数据文件*.d;
305.s305.i
2.观察程序中出现的数据相关、控制相关、结构相关,并指出三种相关的指令组合;
(1)第二个lf指令到multf、subf和addf,multf到divf之间,subf到addf之间存在着先写后读相关。
(2)divf和addf之间存在着先读后写相关。
(3)addf和subf指令关于浮点加法部件还存在着结构相关。
3.将自己编写的程序*.s、*.i、*.d装载到DLXview模拟器上,
(1)分别用基本流水线、记分牌算法和Tomasulo算法模拟,针对每一种模拟做如下分析:
基本流水线:
统计程序的执行周期数和流水线中的暂停时钟周期数
1个加法部件,延迟周期为2
2个乘法部件,延迟周期为10
1个除法部件,延迟周期为40
程序执行时钟周期数67,流水线中的暂停时钟周期10
②改变功能部件数目重新模拟,观察并记录性能的改变
2个加法部件,延迟周期为2
3个乘法部件,延迟周期为10
2个除法部件,延迟周期为40
程序执行时钟周期数67,流水线中的暂停时钟周期10
③改变功能部件延迟重新模拟,观察并记录性能的改变
1个加法部件,延迟周期为1
2个乘法部件,延迟周期为8
1个除法部件,延迟周期为32
程序执行时钟周期数47,流水线中的暂停时钟周期8
由此可见增加功能部件数目之后,性能并没有提高
减少功能部件延迟之后,性能得到了显著的提高。
记分牌算法:
统计程序的执行周期数和流水线中的暂停时钟周期数
1个加法部件,延迟周期为2
2个乘法部件,延迟周期为10
1个除法部件,延迟周期为40
程序执行时钟周期数59,流水线中的暂停时钟周期12
②改变功能部件数目重新模拟,观察并记录性能的改变
2个加法部件,延迟周期为2
3个乘法部件,延迟周期为10
2个除法部件,延迟周期为40
程序执行时钟周期数59,流水线中的暂停时钟周期12
③改变功能部件延迟重新模拟,观察并记录性能的改变
1个加法部件,延迟周期为1
2个乘法部件,延迟周期为8
1个除法部件,延迟周期为32
程序执行时钟周期数49,流水线中的暂停时钟周期10
由此可见增加功能部件数目之后,性能并没有提高
减少功能部件延迟之后,性能得到了显著的提高。
Tomasulo算法:
统计程序的执行周期数和流水线中的暂停时钟周期数
1个加法部件,延迟周期为2
2个乘法部件,延迟周期为10
1个除法部件,延迟周期为40
程序执行时钟周期数56,流水线中的暂停时钟周期10
②改变功能部件数目重新模拟,观察并记录性能的改变
2个加法部件,延迟周期为2
3个乘法部件,延迟周期为10
2个除法部件,延迟周期为40
程序执行时钟周期数56,流水线中的暂停时钟周期10
③改变功能部件延迟重新模拟,观察并记录性能的改变
1个加法部件,延迟周期为1
2个乘法部件,延迟周期为8
1个除法部件,延迟周期为32
程序执行时钟周期数46,流水线中的暂停时钟周期8
由此可见增加功能部件数目之后,性能并没有提高
减少功能部件延迟之后,性能得到了显著的提高。
(2)记录运行记分牌算法时的功能部件状态表和指令状态表;
(3)记录运行Tomasulo算法时的指令状态表和保留站信息;
实验四Cache性能分析
一.实验目的
1.加深对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解;
2.掌握Cache容量、相联度、块大小对Cache性能的影响;
3.掌握降低Cache不命中率的各种方法以及这些方法对提高Cache性能的好处;
4.理解LRU与随机法的基本思想以及它们对Cache性能的影响。
二.实验平台
Cache模拟器MyCache
三.预备知识
MyCache模拟器使用方法
1.启动模拟器:
用鼠标双击MyCache.exe。
2.系统会打开一个操作界面。
该界面的左边为设置模拟参数区域,右边为模拟结果显示区
域。
如图1所示。
3.可以设置的参数包括:
是统一Cache还是分离Cache,Cache的容量,块大小,相联度,
替换算法,预取策略,写策略,写不命中时的调块策略。
可以直接从列表里选择。
4.访问地址可以选择来自地址流文件,也可以选择手动输入。
如果是前者,则可以通过点
击“浏览”按钮,从模拟器所在文件夹下面的“地址流”文件夹中选取地址流文件(.din文
件),然后进行执行。
执行的方式可以是步进,也可以是一次执行到底。
如果选择手动输入,
就可以在“执行控制”区域中输入块地址,然后点击“访问”按钮。
系统会在界面的右边显
示访问类型、地址、块号以及块内地址。
5.模拟结果包括:
(1)访问总次数,总的不命中次数,总的不命中率;
(2)读指令操作的次数,其不命中次数及其不命中率;
(3)读数据操作的次数,其不命中次数及其不命中率;
(4)写数据操作的次数,其不命中次数及其不命中率;
(5)手动输入单次访问的相关信息。
图1MyCache模拟器的操作界面示意图
4.实验内容及结果
1.Cache容量对不命中率的影响
1)启动MyCache。
2)用鼠标点击“复位”按钮,把各参数设置为默认值。
3)选择一个地址流文件。
方法:
选择“访问地址”下的“地址流文件”选项,然后点击“浏
览”按钮,从本模拟器所在的文件夹下的“地址流”文件夹中选取。
4)选择不同的Cache容量,包括:
2KB,4KB,8KB,16KB,32KB,64KB,128KB,256KB,
分别执行模拟器(点击“执行到底”按钮),然后在表1中记录各种情况下的不命中率。
表1不同容量下Cache的不命中率
Cache容量(kb)
2
4
8
16
32
64
128
256
不命中率
14.22%
10.46%
7.59%
4.78%
2.84%
1.97%
1.26%
0.98%
地址流文件名:
cc1.din
5)以容量为横坐标,画出不命中率随Cache容量变化而变化的曲线。
并指明地址流文件名。
6)根据该模拟结果,你能得出什么结论?
结论:
在其他变量一定的情况下,随着Cache容量的变大不命中率逐渐减小最后趋于稳定。
2.相联度对不命中率的影响
1)用鼠标点击“复位”按钮,把各参数设置为默认值。
这时的Cache容量为64KB。
2)选择一个地址流文件。
方法:
选择“访问地址”下的“地址流文件”选项,然后点击“浏览”按钮,从本模拟器所在的文件夹下的“地址流”文件夹中选取。
3)选择不同的Cache相联度,包括:
直接映象,2路,4路,8路,16路,32路,分别执行模拟器(点击“执行到底”按钮),然后在表2中记录各种情况下的不命中率。
a.部分截图:
表2当容量为64KB时,不同相联度下Cache的不命中率
相联度
1
2
4
8
16
32
不命中率
1.97%
1.15%
0.99%
0.93%
0.92%
0.91%
地址流文件名:
cc1.din
4)把Cache的容量设置为256KB,重复上一步的工作。
表3当容量为256KB时,不同相联度下Cache的不命中率
相联度
1
2
4
8
16
32
不命中率
0.98%
0.78%
0.74%
0.73%
0.71%
0.71%
地址流文件名:
cc1.din
5)以相联度为横坐标,画出在64KB和256KB的情况下不命中率随Cache相联度变化而变
化的曲线。
并指明地址流文件名。
6.根据该模拟结果,你能得出什么结论?
结论:
当cache容量一定时,不命中率先是随着相联度地增加而减小的的,但增加到一定程度后,不命中率不会再降低。
当相联度相同,相联度较小时,cache容量越大不命中率就越低,但当相联度到达一定程度时,再增大cache容量就没有任何意义。
3.Cache块大小对不命中率的影响
1)用鼠标点击“复位”按钮,把各参数设置为默认值。
2)选择一个地址流文件。
方法:
选择“访问地址”下的“地址流文件”选项,然后点击“浏
览”按钮,从本模拟器所在的文件夹下的“地址流”文件夹中选取。
3)选择不同的Cache块大小,包括:
16B,32B,64B,128B,256B,对于Cache的各种
容量,包括:
2KB,8KB,32KB,128KB,512KB,分别执行模拟器(点击“执行到底”按钮),然后在表4中记录各种情况下的不命中率。
a.部分截图:
表4各种块大小情况下Cache的不命中率
eg.din
块大小(B)
Cache容量(KB)
2
8
32
128
512
16
7.80%
7.40%
7.20%
7.20%
7.20%
32
5.4%
5%
4.7%
4.7%
4.7%
64
4.0%
3.4%
3.1%
3.1%
3.1%
128
4.4%
3.3%
2.4%
2.4%
2.4%
256
6.5%
5.1%
2.3%
1.9%
1.9%
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