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计算机系统结构实验报告

一．流水线中的相关

实验目的：

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。

实验平台：

WinDLX模拟器

实验内容和步骤：

1.用WinDLX模拟器执行下列三个程序：

求阶乘程序fact.s

求最大公倍数程序gcm.s

求素数程序rim.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。

2.用WinDLX运行程序structure_d.s，通过模拟找出存在资源相关的指令对以及导致资源相

关的部件；记录由资源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；论述资源相关对CPU性能的影响，讨论解决资源相关的方法。

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。

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。

1.求阶乘程序

用WinDLX模拟器执行求阶乘程序fact.s。这个程序说明浮点指令的使用。该程序从标准

输入读入一个整数，求其阶乘，然后将结果输出。

该程序中调用了input.s中的输入子程序，这个子程序用于读入正整数。

实验结果：

在载入fact.s和input.s之后，不设置任何断点运行。

a.不采用重新定向技术，我们得到的结果

b.采用定向技术，我们得到的结果：

从上面的数据我们可以看出定向的作用：

在定向技术存在的情况下Statistics窗口中的各种统计数字：总的周期数(215)和暂停数

(17RAW,25Cntrl,12Trap;54Ttal)

在定向技术不存在时候，控制暂停和Trap暂停仍然是同样的值，而RAW暂停从17

变成了53，总的模拟周期数增加到236。所以定向技术带来的加速比：

236/215=1.098

DLXfrwarded比DLXntfrwarded快9.8%。

2.数据相关

先给出一个存在数据相关的程序：

LHIR2,(A16)0xFFFF

ADDUIR2,R2,A0xFFFF

LHIR3,(B16)0xFFFF

ADDUIR3,R3,B0xFFFF

lp:

LWR1,0(R2)

ADDR1,R1,R3

SW0(R2),R1

LWR5,0(R1)

ADDIR5,R5,#10

ADDIR2,R2,#4

SUBR4,R3,R2

BNEZR4,lp

TRAP#0

A:.wrd0,4,8,12,16,20,24,28,32,36

B:.wrd9,8,7,6,5,4,3,2,1,0

没有采用定向技术时运行该程序：得到

程序执行了202个周期，10个数据相关引起的时钟周期RAWstall为104个。

暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比=51.48%

采用定向技术时运行该程序：得到

程序执行了128个周期，共有6个数据相关引起的时钟周期RAWstall为30个。

暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比=23.44%

可见通过定向技术，减少了数据相