系统结构实验.docx
《系统结构实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《系统结构实验.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
系统结构实验
系统结构实验报告
11070113臧琦
11070230曾凯
实验一流水线中的相关
1、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
2、实验平台
用WinDLX模拟器模拟流水线。
3、实验要求
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。
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。
4、实验结果
4.1用WinDLX模拟器执行下列三个程序
4.1.1用WinDLX模拟器执行阶乘程序fact.s的结果如下所示
●步进方式运行程序结果如下所示
图1以步进方式进行的过程
●连续方式运行程序结果如下所示
图2连续方式，程序无间断的进行
●设置断点方式运行程序结果如下所示
图3通过设置不同的断点来控制程序的执行
4.1.2用WinDLX模拟器执行阶乘程序gcm.s的结果如下所示
●步进方式运行程序结果如下所示
图4以步进方式进行的过程，经过有限的步骤将程序的结果运行出来
●连续方式运行程序结果如下所示
图5连续方式，程序无间断的进行，直到程序结束
●设置断点方式运行程序结果如下所示
图6通过设置不同的断点来控制程序的执行
4.1.3用WinDLX模拟器执行阶乘程序prim.s的结果如下所示
●步进方式运行程序结果如下所示
图7以步进方式进行的过程
●连续方式运行程序结果如下所示
图8连续方式，程序无间断的进行，直到程序结束
●设置断点方式运行程序结果如下所示
图9通过设置不同的断点来控制程序的执行
4.2用WinDLX模拟运行器程序structure_d.s，进行相关实验
图10structure_d.s程序运行的流水线图
●资源相关的指令对
（1）
ADDDF0,F0,F4
ADDDF2,F0,F2;
导致资源相关的部件：
ALU；指令ADDDF2,F0,F2在译码阶段ID停滞1周期
（2）
ADDDF2,F0,F2
ADDIR2,R2,#8
导致资源相关的部件：
ALU；指令ADDIR2,R2,#8在执行阶段intEX停滞1周期
（3）
ADDDF2,F0,F2
ADDIR2,R2,#8;（mem部件相关）
ADDIR3,R3,#8;（mem部件相关）
SUBR5,R4,R2;（mem部件相关）
●由资源相关引起的暂停时钟周期数
图11程序执行总的周期数以及延迟的周期数
由资源相关引起的暂停周期数为：
30
总执行周期数为：
139
暂停周期数占总执行周期数的百分比：
30/139=21.58%
●分析及解决办法
分析：
资源相关使相关指令在流水线上停滞，降低了执行效率，使cpu的性能下降。
解决方法：
在合理的指令调度范围内，尽量避免执行重复的指令。
尽量避免同一寄存器的频繁使用，若无法避免，则使用寄存器换名的方法。
4.3比较定向与不定向技术，用WinDLX模拟运行器程序data_d.s，进行相关实验
4.3.1采用不定向技术，用WinDLX模拟运行器程序data_d.s，进行相关实验
图12采用非定向技术运行的结果图
由数据相关引起的暂停时钟周期数为：
104
总执行周期数为：
202
暂停周期数占总执行周期数的百分比：
104/202=51.48%
4.3.2采用定向技术，用WinDLX模拟运行器程序data_d.s，进行相关实验
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。
图13定向技术相关结果的截图
由数据相关引起的暂停时钟周期数为：
30
总执行周期数为：
128
暂停周期数占总执行周期数的百分比：
30/128=23.44%
总结:
采用定向技术性能提高的倍数：
202/128=1.58倍
5、总结与体会
这次实验让我很好的学习了windlx的用法，对其中的各种操作以及性质有了更好的认识与应用，为之后的学习以及发展带来了极大的便利。
同个对几个.s程序的运行，让我对流水线的过程有了更加清楚的认识，将课堂上学到的理论知识运用到了实际中去。
同时，对数据相关、资源相关等有了更好的认识与了解，对程序的简化运行有了更加清楚的认识，为以后清楚的快捷的运行提供了思想的基础。
最后，对定向技术以及其性能有了更加清楚的了解，充分认识了定向技术的优点，在以后的开发应用中，要多采用定向技术，可以减少程序的运行周期，提高程序的运行效率。
实验二循环展开及指令调度
1、实验目的
1.加深对循环级并行性、指令调度技术、循环展开技术以及寄存器换名技术的理解；
2.熟悉用指令调度技术来解决流水线中的数据相关的方法；
3.了解循环展开、指令调度等技术对CPU性能的改进。
2、实验平台
用WinDLX模拟器模拟流水线。
3、实验要求
1．用指令调度技术解决流水线中的结构相关与数据相关
（1）用DLX汇编语言编写代码文件*.s，程序中应包括数据相关与结构相关（假设：
加
法﹑乘法﹑除法部件各有2个，延迟时间都是3个时钟周期）
（2）通过Configuration菜单中的“Floatingpointstages”选项，把加法﹑乘法﹑除法
部件的个数设置为2个，把延迟都设置为3个时钟周期；
（3）用WinDLX运行程序。
记录程序执行过程中各种相关发生的次数、发生相关的指
令组合，以及程序执行的总时钟周期数；
（4）采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除相关；
（5）用WinDLX运行调度后的程序，观察程序在流水线中的执行情况，记录程序执行
的总时钟周期数；
（6）根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。
论述指令调度对于提高CPU性能的
意义。
2.用循环展开、寄存器换名以及指令调度提高性能
（1）用DLX汇编语言编写代码文件*.s，程序中包含一个循环次数为4的整数倍的简单
循环；
（2）用WinDLX运行该程序。
记录执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总
时钟周期数；
（3）将循环展开3次，将4个循环体组成的代码代替原来的循环体，并对程序做相应的
修改。
然后对新的循环体进行寄存器换名和指令调度；
（4）用WinDLX运行修改后的程序，记录执行过程中各种相关发生的次数以及程序执
4、实验结果
4.1用指令调度技术解决流水线中的结构相关与数据相关
4.1.1原指令执行的相关结果
●DLX汇编语言编写代码文件*.s的内容如下所示：
addff0,f0,f1
addff1,f3,f4
addff2,f0,f2
multff6,f2,f0
addff0,f0,f1
multff1,f6,f0
subff3,f7,f8
subff7,f3,f1
trap0
●通过Configuration菜单中的“Floatingpointstages”选项，把加法﹑乘法﹑除法部件的个数设置为2个，把延迟都设置为3个时钟周期
图2-1加法器、乘法器、除法器的设置
●程序运行的流水线图
图2-2程序执行时的流水线图
●指令执行结果的统计
图2-3指令执行结果的统计
从上图中，我们可以看到指令执行的总周期是22，发生相关的次数是4，总的延迟周期是14，各种相关指令的组合如下所示：
1、addff0,f0,f1
addff1,f3,f4对f0的数据相关
addff2,f0,f2
2、addff2,f0,f2
multff6,f2,f0对f2的数据相关
3、addff0,f0,f1
multff1,f6,f0对f1的数据相关
4、subff3,f7,f8
subff7,f3,f1对f3的数据相关
4.1.2调整指令顺序指令执行的结果
●调整指令后的顺序如下所示
addff0,f0,f1
addff1,f3,f4
subff3,f7,f8
addff2,f0,f2
multff6,f2,f0
subff7,f3,f1
addff0,f0,f1
multff1,f6,f0
trap0
●指令执行的流水线结果如下所示
图2-4指令执行的流水线图
●周期统计图
图2-5执行结果统计图
从上图中，我们可以看到指令执行的总周期是20，发生相关的次数是2，总的延迟周期是12
指令调度后的加速比是22/20=1.1，通过指令调度，可以充分利用cpu部件利用率，减少数据相关和资源相关引起的暂停。
4.2用循环展开、寄存器换名以及指令调度提高性能
4.2.1原循环程序运行的结果
●运行的程序如下所示
.data
A:
.word1
B:
.word4
.text
.globalmain
main:
lff0,A
lff1,B
Loop:
eqff1,f2
bfptFinish
addff2,f2,f0
subff4,f3,f7
addff5,f4,f8
multff6,f3,f9
subff7,f6,f3
jLoop
Finish:
trap0
程序运行的流水线图如下图所示
图2-6
●程序运行的统计结果图如下图所示
图2-7
总计执行周期：
70
总计时延：
32个周期
4.2.2将循环程序展开运行的结果
●运行的程序如下所示
subff4,f3,f7
addff5,f4,f8
multff6,f3,f9
subff7,f6,f3
subff4,f3,f7
addff5,f4,f8
multff6,f3,f9
subff7,f6,f3
subff4,f3,f7
addff5,f4,f8
multff6,f3,f9
subff7,f6,f3
subff4,f3,f7
addff5,f4,f8
multff6,f3,f9
subff7,f6,f3
trap0
●程序运行的流水线图如下图所示
图2-8
●程序运行的统计结果图如下图所示
图2-9
总计执行周期：
47
总计时延：
31个周期
从上面的结果可以看出，循环展开后的加速比为70/47=1.49；由此可见循环展开可以极大的提高cpu的效率。
4.2.3将程序循环展开、指令调度后运行的结果
●运行的程序如下所示
.data
A:
.word1
B:
.word4
.text
.globalmain
main:
lff0,A
lff1,B
subff4,f3,f7
multff6,f3,f9
addff5,f4,f8
subff7,f6,f3
subff4,f3,f7
multff6,f3,f9
addff5,f4,f8
subff7,f6,f3
subff4,f3,f7
multff6,f3,f9
addff5,f4,f8
subff7,f6,f3
subff4,f3,f7
multff6,f3,f9
addff5,f4,f8
subff7,f6,f3
trap0
程序运行的流水线图如下图所示
图2-10
●程序运行的统计结果图如下图所示
图2-9
总计执行周期：
39
总计时延：
22个周期
从上面的结果可以看出，循环展开后的加速比为70/39=1.79；由此可见循环展开、指令调度可以极大的提高cpu的效率。
5、总计与体会
这次实验让我对指令的调度有了很好的理解，通过指令调度执行时间的计算，更好的看出了指令调度可以极大的提高cpu的运行效率。
同时，循环展开也可以很好的提高cpu的运行效率，将两者结合起来，可以极大的提高运行的效率，为程序的运行带来极大的便利，在今后的程序设置以及程序的运行中，我们可以很好的利用这一特性，来提高我们程序运行的效率，节省时间。
实验三cache性能分析
1、实验目的
1．加深对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解；
2．了解Cache的容量、相联度、块大小对Cache性能的影响；
3．掌握降低Cache失效率的各种方法，以及这些方法对Cache性能提高的好处；
4．理解Cache失效的产生原因以及Cache的三种失效；
5．理解LRU与随机法的基本思想，及它们对Cache性能的影响；
2、实验平台
SimpleScalar模拟器
3、实验要求
1．在基本配置情况下运行程序（请指明所选的测试程序），统计Cache总失效次数、三种不同种类的失效次数；
2．改变Cache容量（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache容量对Cache性能的影响；
3．改变Cache的相联度（1路，2路，4路，8路，64路），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析相联度对Cache性能的影响；
4．改变Cache块大小（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache块大小对Cache性能的影响；
5．分别采用LRU与随机法，在不同的Cache容量、不同的相联度下，运行程序（指明所选的测试程序）统计Cache总失效次数，计算失效率。
分析不同的替换算法对Cache性能的影响。
测试程序：
用于实验的测试程序可以使用现有的，即benchmark目录下的所有程序；也可以自己用C语言直接生成各类典型程序比如：
数学运算类、输入输出类等，通过本环境提供的特定C编译器，编译生成对应的xxx.out（默认是a.out）测试程序用于实验。
每个测试程序所需时间大概是10分钟，选择测试程序时注意从不同组中选择，以便使得出的结果不会因为对单项有所侧重而有失偏颇。
每个人从中选出4~6个测试程序进行测试。
4、实验结果
4.1.基本配置情况下运行程序
默认参数如下所示：
-cache:
dl1dl1:
256:
32:
1:
l
-cache:
dl2ul2:
1024:
64:
4:
l
-cache:
il1il1:
256:
32:
1:
l
Ø对于测试程序benchmark\bin.little\test-math测试结果如下所示
il1.misses（指令cache）23761#totalnumberofmisses
dl1.misses（数据cache）804#totalnumberofmisses
ul2.misses1203#totalnumberofmisses
Ø对于测试程序benchmark\bin.little\test-lswlr测试结果如下所示
il1.misses547#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0627#missrate（i.e.,misses/ref）
dl1.misses459#totalnumberofmisses
dl1.miss_rate0.0971#missrate（i.e.,misses/ref）
ul2.misses477#totalnumberofmisses
4.2．改变Cache容量对Cache性能的影响
实验具体要求：
改变Cache容量（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache容量对Cache性能的影响；
由于测试程序中指令项较多，因此在cache改变的实验中皆改变icache
通过下面的命令，将cache的由原来的256组变为512组
[root@localhostsimplescalar]#cd/root/simplescalar/simplesim-3.0/tests-pisa/bin.little
[root@localhostbin.little]#/root/simplescalar/simplesim-3.0/sim-cache-cache:
il1il1:
512:
32:
1:
ltest-math
1、测试程序为benchmark\bin.little\test-printf
Ø-cache:
il1il1:
256:
32:
1:
l
il1.misses112488#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0620#missrate（i.e.,misses/ref）
Ø-cache:
il1il1:
512:
32:
1:
l
il1.misses60016#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0331#missrate（i.e.,misses/ref）
Ø-cache:
il1il1:
1024:
32:
1:
l
il1.misses23335#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0129#missrate（i.e.,misses/ref）
Ø-cache:
il1il1:
2048:
32:
1:
l
il1.misses8578#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0047#missrate（i.e.,misses/ref）
Ø-cache:
il1il1:
16384:
32:
1:
l
il1.misses1515#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0008#missrate（i.e.,misses/ref）
2、测试程序为benchmark\bin.little\test-llong
Ø-cache:
il1il1:
256:
32:
1:
l
il1.misses1130#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0383#missrate（i.e.,misses/ref）
Ø-cache:
il1il1:
512:
32:
1:
l
il1.misses936#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0317#missrate（i.e.,misses/ref）
Ø-cache:
il1il1:
1024:
32:
1:
l
il1.misses634#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0215#missrate（i.e.,misses/ref）-
Ø-cache:
il1il1:
2048:
32:
1:
l
il1.misses594#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0201#missrate（i.e.,misses/ref）
Ø-cache:
il1il1:
16384:
32:
1:
l
il1.misses534#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0181#missrate（i.e.,misses/ref）
3、测试程序为benchmark\bin.little\anagram
Ø-cache:
il1il1:
256:
32:
1:
l
il1.misses577#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0758#missrate（i.e.,misses/ref）
Ø-cache:
il1il1:
512:
32:
1:
l
il1.misses512#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0672#missrate（i.e.,misses/ref）
Ø-cache:
il1il1:
1024:
32:
1:
l
il1.misses502#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0659#missrate（i.e.,misses/ref）
Ø-cache:
il1il1:
2048:
32:
1:
l
il1.misses477#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0626#missrate（i.e.,misses/ref）
Ø-cache:
il1il1:
16384:
32:
1:
l
il1.misses477#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0626#missrate（i.e.,misses/ref）
4、测试程序为benchmark\bin.little\test-fmath
Ø-cache:
il1il1:
256:
32:
1:
l
il1.misses6093#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.1143#missrate（i.e.,misses/ref）
Ø-cache:
il1il1:
512:
32:
1:
l
il1.misses4100#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0769#missrate（i.e.,misses/ref）
Ø-cache:
il1il1:
1024:
32:
1:
l
il1.misses2231#totalnumberofmisses
il1.miss_rate0.0418#missrate（i.e.
升级会员 