北邮计算机系统结构WINDLX模拟器实验报告.docx
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北邮计算机系统结构WINDLX模拟器实验报告
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）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：
1、静态分支技术
静态转移预测技术（猜测法）；
延迟转移；
提前形成条件码，生成转移目标地址；
改进循环程序；
2、动态分支预测技术
转移历史表BHT；
转移目标缓冲栈（BTB）；
转移目标指令缓冲栈BTIB；
五．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时都请设定为4个周期。
六．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：
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来看性能数据的对比。
不使用forward部件：
使用forward部件：
从上面的数据我们可以看出增加forward部件后，总的周期数由200减少至158，RAW由原来占总时钟周期的32.5%减少至16.46%，RAW个数由原来的65减少至26。
增加forward部件使得控制相关比例增加了。
所以，使用forward部件后，总的时钟周期减少，数据相关减少，流水线的性能得到一定的改善。
（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。
可知条件分支指令总共有15条，其中有2条转移成功（13.33%），有13条转移不成功。
转移不成功的指令就顺序执行，故不会影响程序的运行，不会导致流水线断流；而转移成功的指令会导致流水线的断流，要废弃预先读入的指令，重新从转移成功处读入指令，执行效率会下降。
经分析可知，两次断流都会导致一个周期的流水线断流。
七．实验总结
1.在流水线中，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，而解决流水线相关的途径之一是设置双存储器（哈弗结构）：
一个数据存储，一个指令存储。
实际上，本身实现DLX指令的硬件设备已经考虑到了这一点，本身已有两个存储器，一个为数据存储器，一个为指令存储器。
故本身就解决了部分结构相关问题。
并且fact.s中的指令并不会导致其他资源冲突，故无法体现资源相关。
试验中多加入浮点数部件，运行效率等没有变化。
通过观察指令的运行情况，因为不会发生结构相关（硬件资源冲突），在流水线中的部件线性使用，故加入部件也不会对结果有直接的影响。
2.本次实验，主要通过对于三种相关的观察，分析出现相关时的指令，分析浮点运算部件和forward部件对性能的影响，观察转移指令在转移成功和不成功时的流水线开销，这些实验一步一步，通过WinDLX形象生动的表示，使我在实践中更加深入的认识了流水线。
3.通过本次实验，我熟悉了指令执行的每个阶段的任务，对时空图的理解也更深了一步，对流水线中的三种相关性问题有了认识，同时通过此实验学习到了解决这些相关问题的方法，从而对课上所学的知识有了更系统的认识。
实验三DLX处理器程序设计
一．实验类别
综合型实验
二．实验目的
学习使用DLX汇编语言编程，进一步分析相关现象
三．实验环境
WindowsXP操作系统
DLX汇编语言环境
四．实验原理
掌握向量运算算法和编程方法。
五．实验步骤
（1）熟悉DLX汇编语言。
（2） 编写两双精度浮点一维向量的加法运算程序。
（3） 对此程序完成上面实验二中1）、2）、3）、4）方面的分析。
六．实验过程
（1）代码清单和注释说明
.data
VectorLength:
.word16
Vector1:
.word1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16
Vector2:
.word1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16
;声明向量长度以及声明向量1、2
Printf1:
.asciiz"Vector="
Printf2:
.asciiz"%f"
.align2
PrintPrompt:
.wordPrintf1
PrintPar:
.wordPrintf2
Result:
.space4;存放打印数据的空间申请
.text
main:
addir14,r0,PrintPrompt
trap5
lwr20,VectorLength
addir2,r0,0
Loop:
ldf10,Vector1（r2）
ldf12,Vector2（r2）;循环体中读入向量
cvti2df0,f10
cvti2df2,f12
adddf4,f2,f0;加法运算
Finish:
;****Finish,writeresultintostdout
sdResult,f4
addir14,r0,PrintPar
trap5;系统中断，输出结果
addir2,r2,4
subir20,r20,1
bnezr20,Loop
;End
trap0
运行结果
（2）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。
无结构相关，有控制相关15次和数据相关64次。
数据相关：
以当对当前指令的操作数寄存器进行操作（EX）的时候，前几条指令的运算结果还未写回（WB）结果寄存器，由此产生数据相关。
结构相关：
由于只做了一次加法，所以没有产生结构相关
第一条命令在WB段，第二条命令在intEX段，第四条命令在IF段。
而第三条命令指示为"aborted"。
此处发生了控制相关。
（3）考察增加浮点运算部件对性能的影响。
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。
数据对比如下：
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。
（4）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来看性能数据的对比。
不使用forward部件：
使用forward部件：
从上面的数据我们可以看出增加forward部件后，总的周期数由413减少至315，RAW由原来占总时钟周期的39.22%减少至20.32%，RAW个数由原来的162减少至64。
增加forward部件使得控制相关比例增加了。
所以，使用forward部件后，总的时钟周期减少，数据相关减少，流水线的性能得到一定的改善。
（5）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。
可知条件分支指令总共有16条，其中有15条转移成功（93.75%），有1条转移不成功。
转移不成功的指令就顺序执行，故不会影响程序的运行，不会导致流水线断流；而转移成功的指令会导致流水线的断流，要废弃预先读入的指令，重新从转移成功处读入指令，执行效率会下降。
经分析可知，两次断流都会导致一个周期的流水线断流。
七.实验总结
通过此次实验我对实验二所进行的数据相关、控制相关、结构相关的性能分析做了更深入的了解，以及对于功能部件对流水线的影响，forwarding技术对流水线的影响，还有就是静态指令调度等。
通过自行编写向量矢量算法，在代码中初始化两个向量，按照分量顺序进行运算。
当然，如果想要改变源向量，直接处理代码中的相关数据即可。
总之，该实验主要着重对浮点运算以及对于流水线的相关影响及性能分析，使我受益匪浅。
实验四代码优化
一．实验类别
综合实验
二．实验目的
学习简单编译优化方法，观察采用编译优化方法所带来的性能的提高。
三．实验环境
WindowsXP操作系统
DLX汇编语言环境
四．实验原理
采用静态调度方法重排指令序列，减少相关，优化程序
五．实验步骤
（1）使用静态调度方法手工优化实验2或实验3的代码
（2）对优化程序，重复实验二中
（1）、
（2）、（3）、（4）工作。
六．实验过程
对实验三中的两双精度浮点一维向量的加法运算程序代码进行优化，如下所示：
.data
VectorLength:
.word16
Vector1:
.word1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16
Vector2:
.word1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16
Printf1:
.asciiz"Vector="
Printf2:
.asciiz"%f"
.align2
PrintPrompt:
.wordPrintf1
PrintPar:
.wordPrintf2
Result:
.space4
.text
main:
addir14,r0,PrintPrompt
trap5
addir2,r0,0
lwr20,VectorLength
Loop:
ldf10,Vector1（r2）
ldf12,Vector2（r2）
addir2,r2,4
cvti2df0,f10
cvti2df2,f12
subir20,r20,1
adddf4,f2,f0
;此处进行优化，之前插入一条指令，避免f2的RAW冲突
sdResult,f4
addir14,r0,PrintPar
trap5
;addir2,r2,4
;subir20,r20,1
bnezr20,Loop
trap0
运行结果相同
（1）程序相性分析
优化前优化后
由上述两图对比可以看出，
数据相关：
其RAW相关由优化前的20.32%减少为16.05%，性能改善很多；
结构相关没有发生改变；
控制相关：
由原来的4.76%变为5.02%，没有改善。
因此，可以看出，我所进行的代码优化对性能方面改善并不是很强烈，主要影响还是在数据相关方面。
（2）考察增加浮点运算部件对性能的影响。
由此可以看出，其浮点运算部件个数对统计结果并无影响。
原因为该运算过程中不存在结构相关，因此并行度没有增加，程序影响不大，部件增加对于系统的性能并没有改善。
（3）考察增加forward部件对性能的影响。
不使用forward部件：
使用forward部件：
通过对比可以看出，使用forwarding部件之后执行周期由348个减少为299个，
数据相关由97个减少为48个，数据相关的比例从总时钟周期的27.87%减为16.05%。
控制相关比例增加了，由原来占总时钟周期的4.31%增至5.02%。
在使用forward之后，处理的各个方面的性能都得到了提升，时钟周期减少，相关造成的延时减少。
（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。
可知条件分支指令总共有16条，其中有15条转移成功（93.75%），有1条转移不成功。
转移不成功的指令就顺序执行，故不会影响程序的运行，不会导致流水线断流；而转移成功的指令会导致流水线的断流，要废弃预先读入的指令，重新从转移成功处读入指令，执行效率会下降。
经分析可知，两次断流都会导致一个周期的流水线断流。
七.实验总结
本次实验的难度相比于前几次实验的难度较大，要求对代码的理解更加深入。
实验过程中，我感觉一个最重要的步骤就是分析相关性。
如果没有分析好相关性，是不知道从什么地方下手优化代码的。
代码优化所提高的效率时十分明显的，所以以后要注重对代码优化的一些问题的研究，这样会对整个程序效率的提高有很大的保证。
本次试验主要是对上一个实验中的代码进行优化，使我在做实验的过程中掌握了进行代码优化的方法，以及相关性的分析。
而相关性分析在我看来是重点，它关系到能否进行优化以及怎么优化.
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