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《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
学号日期:2013.5.10
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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
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。
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。
在不采用定向技术的情况下(去掉Configuration菜单中Enable Forwarding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。
在采用定向技术的情况下(勾选Enable Forwarding),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。
实验步骤及结果
(1)用winDLX执行求最大公倍数程序 gcm.s:
File-load code or data-分别选中gcm.s和input.s-select.
(2)首先直接运行整个程序(enable forwarding),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RAW stall,5个LD stall。
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0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。
用WinDLX运行程序structure_d.s(enable forwarding)
找出引起结构相关的指令和部件:
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Enable Forwarding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Enable Forwarding),
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total cycles 也减少为128.
性能提高为原来的202/128=1.578倍。
我自己编写了一个test.s的代码。
代码比较短,直接分析如下:
multf f10,f0,f2
subd f10,f4,f6 //这两条间存在W
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