系统结构实验报告一.docx
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系统结构实验报告一.docx
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系统结构实验报告一
《计算机系统结构课内实验》
实验报告
班级:
计算机01
姓名:
陈世阳
学号:
10055008
日期:
2013.5.10
一、实验目的及要求
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、实验环境
WinDLX模拟器
三、实验内容
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。
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。
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。
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。
四、实验步骤及结果
1.
(1)用winDLX执行求最大公倍数程序gcm.s:
File->loadcodeordata->分别选中gcm.s和input.s->select.
(2)首先直接运行整个程序(enableforwarding),execute->run(或按F5)
例如,输入如下:
求得的结果为gcm=7,显然,这是正确的。
(3)再来看此时statistics栏和register栏的情况。
如下图:
从statistics可以看出共执行了147个cycle,共有64个冲突(43.54%)。
其中有32个RAWstall,5个LDstall。
再来看Register,这里我们主要关注的是R1,R2和R14.R1,R2的内容是7,,R14的内容是1028,分析代码我们可以发现,这是采用辗转相减法来求最大公约数的。
代码中有两个循环体,一个是(R1)-(R2),一个是(R2)-(R1),循环的终止条件是R1=R2.求7和21的终止条件则是R1中的值和R2中的值是7,此时我们要求的结果就在R1或R2中。
并且我们将结果存入内存中,内存地址为0X00001028,这个地址存放在R14中。
做这个实验主要是为了熟悉WinDXL软件的使用方法和分析statistics结果及Register的内容。
2.用WinDLX运行程序structure_d.s(enableforwarding)
找出引起结构相关的指令和部件:
(1)代码中存在最多的是IF和ID部件引起的结构冲突,因为上一条指令一直占据着IF或ID而导致下一条指令迟迟无法进入流水线和进入ID,我认为这是一种结构相关引起的冲突。
如下图:
又如以下两条指令:
不仅有RAW冲突,还有ID和fddEX部件上的结构冲突。
通过手数,发现一共存在9个cycle由于结构相关引起的stall。
一共执行了139cycles,共占6.47%。
解决结构相关最直接的方法就是部件冗余技术。
另一种方法是进行指令调度。
指令调度的方法在下一个小实验中会用到。
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。
执行的结果如下:
由于数据相关引起的stall为104个cycles,总cycle数为202.共占51.48%。
采用定向技术后(勾选EnableForwarding),
明显地发现,数据相关引起的stall减少了,只有30个,占23.44%。
导致totalcycles也减少为128.
性能提高为原来的202/128=1.578倍。
4.我自己编写了一个test.s的代码。
代码比较短,直接分析如下:
multff10,f0,f2
subdf10,f4,f6//这两条间存在WAW
multff6,f8,f14
adddf10,f4,f6//这两条间存在RAW
addir1,r0,#32//给r1初值32.用来作循环计数变量
Loop:
lff0,0(r1)//把r1指向的内存单元的值送给f0
adddf4,f0,f2//跟上一条存在RAW冲突
sd0(r1),f4//跟上一条存在RAW冲突
addir1,r1,#-8//r1自减每次减8
bnezr1,Loop//判断循环是否终止
trap0
(1)首先在不使用定向技术,只有一个加法器,一个乘法器下,执行这一程序:
基本statistics如下:
可以看到共执行了74cycles,26条指令,一共47个stalls,37个RAWstalls,4个WAWstalls,没有结构冲突,3个控制冲突(因为循环执行了4次,第一次为必执行)。
现在来看采用了定向技术后对性能的影响:
可以知道性能提高了1.37倍。
再来对代码进行循环展开和指令调度。
4次循环完全展开,并进行指令调度如下:
multff10,f0,f2
subdf10,f4,f6
multff6,f8,f14
adddf10,f4,f6
addir1,r0,#32
Loop:
lff0,0(r1)
lff6,-8(r1)
lff10,-16(r1)
lff14,-24(r1)
adddf4,f0,f2
adddf8,f6,f2
adddf12,f10,f2
adddf16,f14,f2
sd0(r1),f4
sd-8(r1),f8
addir1,r1,#-32
sd16(r1),f12
bnezr1,Loop
sd8(r1),f16
trap0
在不采用定向技术下,执行的结果如下:
可以看出,优化后,数据冲突引起的停顿已经大幅度减少,但是引入了新的冲突-结构冲突。
这是循环展开和指令调度的带价:
将几条性质相同的指令连续执行,必然要求有几套重复的部件。
性能提高了74/43=1.72倍。
采用了定向技术后:
性能提高了74/37=2倍。
五、总结
1.通过本次试验,我对于DLX仿真平台和DLX指令有了一定程度的认识,基本上能够读懂DLX编写的程序。
2,进一步掌握和巩固了流水线的基本知识,加深了对数据相关和结构相关的理解。
同时通过观察实验数据,对流水线的冲突和解决冲突的方法有了更深入的认识,当出现冲突时,对指令进行调度是一个比较好的解决方法。
3.加强了在编程时,数据间相关性的意识,不自觉就想尽量让写的程序中相关性少点。
七、附录(源程序清单)
Test.s
multff10,f0,f2
subdf10,f4,f6
multff6,f8,f14
adddf10,f4,f6
addir1,r0,#32
Loop:
lff0,0(r1)
adddf4,f0,f2
sd0(r1),f4
addir1,r1,#-8
bnezr1,Loop
trap0
************************************************
Test2.s
multff10,f0,f2
subdf10,f4,f6
multff6,f8,f14
adddf10,f4,f6
addir1,r0,#32
Loop:
lff0,0(r1)
lff6,-8(r1)
lff10,-16(r1)
lff14,-24(r1)
adddf4,f0,f2
adddf8,f6,f2
adddf12,f10,f2
adddf16,f14,f2
sd0(r1),f4
sd-8(r1),f8
addir1,r1,#-32
sd16(r1),f12
bnezr1,Loop
sd8(r1),f16
trap0
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