北邮计算机系统结构-WINDLX模拟器实验 报告.doc

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1、实验报告学院：计算机学院课程名称：计算机系统结构实验名称：WINDLX模拟器实验班级：姓名：学号：实验一WINDLX模拟器安装及使用略实验二指令流水线相关性分析一．实验类别验证实验二．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。三．实验环境WindowsXP操作系统WinDLX模拟器四．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。　（1）数据相关定义：原有先后顺

2、序的两条指令（I1，I2)在对共享变量（位置）进行读、写时，指令流水线中实际完成的读、写顺序与原有顺序不一致，导致流水线输出错误。三类数据相关：写读(WR)相关读写(RW)相关写写(WW)相关解决方法技术：1.使某些流水线指令延迟、停顿一或多个周期。2. 双端口存储器:如果指令和数据放在同一个存储器。 3. 设置两个存储器：一个数据存储，一个为指令存储器。 4. 软件优化编译：通过指令重新排序，消除数据相关。 5. 定向技术：又称旁路技术或专用通路技术，是使后续指令提前得到前指令的运算结果(适合ALU类指令）（2）

3、结构相关定义：如果某指令在流水线重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，会产生资源冲突或竞争，称为流水线结构相关解决方法技术：1.延迟技术：使某些指令延迟、停顿一或多个时钟周期2.双端口存储器：允许同时读两个数据或指令3.设置双存储器（哈弗结构）：一个数据存储，一个指令存储。4软件优化编译：通过指令重新排序消除结构相关。（3）控制相关定义：控制相关是指因程序执行转移类指令而引起的冲突相关。包括无条件转移、条件转移、子程序调用、中断等，它们属于分支指令，执行中可能改变程序方向，造成流水线断流。解决方法技术

4、：1、静态分支技术Ø静态转移预测技术(猜测法)；Ø延迟转移；Ø提前形成条件码，生成转移目标地址；Ø改进循环程序；2、动态分支预测技术Ø转移历史表BHT；Ø转移目标缓冲栈（BTB）；转移目标指令缓冲栈BTIB；一．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。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

5、时都请设定为4个周期。一．实验过程在开始模拟之前，将fact.s和input.s加载至WinDLX中。加载完后点击Code后可以看到如下图所示。证明加载成功，即可进行以下实验。（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。1.1.数据相关如图所示lbur3,0×0(r2)要在WB周期写回r3中的数据；而下一条指令seqir5,r3,0×a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。为了避免此类冲突，seqr5,r4,0×a的intEX指令延迟了一个周期进

6、行。则发生数据相关的指令为1.2控制相关可知第0*00000130条指令jfact.Loop为循环指令，指令在EX时刻才能判别指令是否发生转移，此时发生了控制相关。如下所示，此时指令跳转成功，故顺序取出的指令必须中断，并且转向取出转移到的指令。jfact.Loop在EX时发现跳转成功，则在EX阶段马上结束指令顺序取出的指令sdPrintfValue(r0),f0，转而执行ledf0/4指令的取指阶段ID。由于此控制相关使得流水线断流一个时钟周期。1.3结构相关上图表明了addir2,r2,0×1的详细信息。该指令与

7、它前一条指令addr1,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（addir2,r2,0×1）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。取N=12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4。分别运行50个cycles后，数据对比如下

8、：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。所以，浮点运算部件的增减对效率无影响。（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。需要在勾选enableforwarding，以及不勾选enableconfiguration来