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：2013.5.101一、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：1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：1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）1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%。1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,f2subdf10,f4,f6//这两条间存在WAWmultff6,f8,f14adddf10,f4,f6//这两条间存在RAWaddir1,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f0adddf4,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8bnezr1,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：1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：1可以知道性能提高了1.37倍。1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,f2subdf10,f4,f6multff6,f8,f14adddf10,f4,f6addir1,r0,#32Loop:lff0,0(r1)lff6,-8(r1)lff10,-16(r1)lff14,-24(r1)adddf4,f0,f2adddf8,f6,f2adddf12,f10,f2adddf16,f14,f2sd0(r1),f4sd-8(r1),f8addir1,r1,#-32sd16(r1),f12bnezr1,Loopsd8(r1),f16trap0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。1性能提高了74/43=1.72倍。采用了定向技术后：1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.smultff10,f0,f21subdf10,f4,f6multff6,f8,f14adddf10,f4,f6addir1,r0,#32Loop:lff0,0(r1)adddf4,f0,f2sd0(r1),f4addir1,r1,#-8bnezr1,Looptrap0************************************************Test2.smultff10,f0,f2subdf10,f4,f6multff6,f8,f14adddf10,f4,f6addir1,r0,#32Loop:lff0,0(r1)lff6,-8(r1)lff10,-16(r1)lff14,-24(r1)adddf4,f0,f2adddf8,f6,f2adddf12,f10,f2adddf16,f14,f2sd0(r1),f4sd-8(r1),f8addir1,r1,#-32sd16(r1),f12bnezr1,Loopsd8(r1),f16trap0