体系结构流水线.doc

计算机科学与技术学院 课程 学 号： 级：专 业： 学生姓名：吕梦瑶 2015年月 学 号：2012061216 时间：2015年6月14日8：00－17：30 地点：21号楼428实验室 实验课程名称：计算机体系结构 一、实验名称：求等差数列前n项并计算总和 二、实验原理： 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。 2、流水线执行过程： 指令执行的5个阶段 (1)取指令周期 (2)指令译码/读寄存器周期 (3)执行/有效地址计算周期 (4)存储器访问/分支完成周期 (5)写回周期 3、流水线中的相关： (1)结构相关：当某一条机器指令需要访问物理器件时，如加法器，此时加法器正被另一条机器指令使用，从而产生结构相关； (2)数据相关：当某一条指令需要访问某个寄存器时，此时这个寄存器正被另一条指令所使用，从而产生数据相关； (3)控制相关：当程序执行到某个分支语句时，顺序执行的下一条语句将被跳过而去执行分支语句中满足条件的那条指令，从而产生控制相关。 四、实验内容： 使用WinDLX模拟器，对lmy.s做如下分析： 分析lmy.s和imput.s输入顺序不同时产生的影响。 分析lmy.s中汇编语言含义，同时分析程序执行流程。 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。 考察增加浮点运算部件对性能的影响。 考察增加forward部件对性能的影响。 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； 本问题中所有浮点延迟部件设置为：加法：2个延迟周期；乘法：5个延迟周期；除法19个延迟周期。 五、实验器材（设备、元器件）： IBM PC兼容机 Windows 3.0以上的操作系统WinDLX模拟器1、双击WinDLX图标运行WinDLX。装入测试程序之前，先初始化WinDLX模拟器：点击File 菜单中的 Reset all 菜单项，弹出一个“Reset DLX”对话框。然后点击窗口中的“确认”按钮即可。 2、选择File / Load Code or Data，按如下步骤操作，可将.s和input.s这两个程序装入主存： 点击 点击select按钮 点击input.s 点击select按钮 点击load按钮 3、按F7键程序顺序执行观察6个子窗口的情况 1、装入顺序先装入.s再转入input.s时，因为程序顺序执行，地址顺序符合程序执行顺序，程序能够正确执行；顺序相反时，因为input.s的地址高，而程序顺序执行到input.s时将没有正确的输入窗口，程序执行到输出结果时，也不会出现结果 3、三种相关及消除方法程序中出现数据相关因为下面两条指令r6中的数据，而subi r6，r6，1还在执行阶段，r6中的数据还未写回，所以需要等待，发生数据相关 通过重定向技术解决，可选中此选项 再次执行如图： 通过对比看出数据相关由154变为93，明显减少： （2）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”。 以下程序代码段因争夺乘法运算部件而产生结构相关： mult r12,r2,r3 mult r13,r3,r6 mult r15,r13,r4 可通过增加乘法运算单元解决，将其由一个变为三个 修改前后运行对比，结构相关由4变为0，全部消除： （3）控制相关：当不满足条件时或者其他改变PC值的跳转指令，通常发生”控制相关”。 以下代码因跳转产生控制相关： Loop1: sb data1(r10),r5 addi r10,r10,1 add r5,r5,r4 subi r6,r6,1 bnez r6,Loop1 下一条指令取指后留下气泡 通过循环展开解决：复制循环体 修改前后对比发现，因循环体展开两次，所以控制相关减少两个： 4.源代码： .data ;输入提示 Prompt1: .asciiz I