西安交通大学计算机系统结构第二次实验报告.pdf

计算机系统结构课内实验报告（第二次） ——Tomasulo 算法实验 学生姓名 专业/班级 计算机11 班 学 号 所在学院 电信学院 提交日期 2014 年4 月23 日 目录 1. 实验目的及要求…………………………………………………………………1 2. 实验环境…………………………………………………………………………1 3. 实验内容…………………………………………………………………………1 4. 实验步骤…………………………………………………………………………2 5. 实验结果…………………………………………………………………………2 6. 总结………………………………………………………………………………9 7. 附录………………………………………………………………………………10 计算机系统结构课内实验（二） ——Tomasulo 算法 1.实验目的及要求 （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。 实验类型：综合验证； 必修或选修：必修； 2.实验环境 实验平台：DLXview 模拟器。 3.实验内容 本次实验利用DLXview 模拟器来仿真简单流水线、Tomasulo 算法的工作情况， 并且可以量化分析它们在不同参数下的性能。 （1）指令的动态调度：通过硬件重新安排指令的执行顺序，来调整相关指令实 际执行时的关系，减少处理器空转。它可以处理一些编译时未发现的相关（比如 涉及到存储器访问的相关），从而简化了编译器。 （2）乱序流水线：流水线输出端任务流出顺序与输入端任务流入的顺序不相同。 （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： 流出（Issue，IS）：指令译码，检查是否存在结构阻塞。 读操作数（Read Operands，RO）：当没有数据相关引发的阻塞时就读操作数。 （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。如果某条指令被暂停，而后面的指令与流水线 中正在执行的或被暂停的指令不相关，那么这条指令可以继续流出并执行下去。 记分牌电路负责记录资源的使用，并负责相关检测，控制指令的流出和执行。 （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：只要操作数有效，就将其取到保留站，避免指 令流出时才到寄存器中取数据，这就使得即将执行的指令从相应的保留站中取得 操作数，而不是从寄存器中。指令的执行结果也是直接送到等待数据的其它保留 站中去。因而，对于连续的寄存器写，只有最后一个才真正更新寄存器中的内容。 一条指令流出时，存放操作数的寄存器名被换成为对应于该寄存器保留站的名称 （编号）。论述功能部件数目、功能部件延迟对性能的影响。 本次实验需要完成的内容如下： 记录运行记分牌算法时的功能部件状态表和指令状态表； 记录运行Tomasulo 算法时的指令状态表和保留站信息； 4.实验步骤 （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； （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； （3）将自己编写的程序*.s、*.i、*.d 装载到DLXview 模拟器上； （4）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： ① 统计程序的执行周期数和流水线中的暂停时钟周期数； ② 改变功能部件数目重新模拟，观察并记录性能的改变； ③ 改变功能部件延迟重新模拟，观察并记录性能的改变；