北邮计算机系统结构实验报告-实验一到五-WINDLX模拟器全解

北京邮电大学

实验报告

课程名称 计算机系统结构

计算机学院 2016111303班

王陈(2016110711)

目录

实验一 WINDLX模拟器安装及使用........................................................................... 3

·实验准备........................................................................... 错误！未定义书签。 ·实验环境........................................................................... 错误！未定义书签。 ·实验步骤........................................................................... 错误！未定义书签。 ·实验内容及要求............................................................... 错误！未定义书签。 ·实验过程........................................................................... 错误！未定义书签。 ·实验总结............................................................................................................. 8 实验二 指令流水线相关性分析................................................................................ 9

·实验目的............................................................................................................. 9 ·实验环境............................................................................................................. 9 ·实验步骤............................................................................................................. 9 ·实验过程........................................................................... 错误！未定义书签。 ·实验总结........................................................................................................... 16 实验三 DLX处理器程序设计 ................................................................................ 17

·实验目的........................................................................................................... 17 ·实验环境........................................................................... 错误！未定义书签。 ·实验步骤........................................................................... 错误！未定义书签。 ·实验过程........................................................................................................... 17

A. 向量加法代码及性能分析 ................................................................................. 17 B.双精度浮点加法求和代码及结果分析 ........................................................... 22 ·实验总结........................................................................................................... 26 实验四 代码优化...................................................................................................... 27

·实验目的........................................................................................................... 27 ·实验环境........................................................................... 错误！未定义书签。 ·实验原理........................................................................................................... 27 ·实验步骤........................................................................... 错误！未定义书签。 ·实验过程........................................................................................................... 27 ·实验总结+实习体会......................................................................................... 32 实验五 循环展开...................................................................................................... 32

·实验目的........................................................................................................... 32 ·实验环境........................................................................... 错误！未定义书签。 ·实验原理........................................................................................................... 32 ·实验步骤........................................................................... 错误！未定义书签。 ·实验过程........................................................................................................... 32

矩阵乘程序代码清单及注释说明 ......................................................................... 32 相关性分析结果 ......................................................................................................... 38 增加浮点运算部件对性能的影响 ......................................................................... 38 增加forward部件对性能的影响 ......................................................................... 38 转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销 ................................ 38 ·实验总结+实习体会+课程建议....................................................................... 38

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实验一 WINDLX模拟器安装及使用

WinDLX模拟器的结构和功能说明

1.点击运行之后，会看到一个如下图所示的窗口。

它包括Register, Code, Pipeline, Clock Cycle Diagram, Statistics, Breakpoints。接下来详细介模拟器的结构及各个部件的功能。 2.Register窗口介绍

Rigister窗口中显示的是各个寄存器的名称及内容。如下图：

可以看到寄存器中以十六进制标识，从上图可以看出各个寄存器中的内容。

2.Code窗口介绍

在没有进行任何执行的时候，初次打开code窗口，即为下图所示

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窗口现实的信息是各个存储器内同。第一列标识存储器的地址；第二列是机器代码，用16进制表示；第三列是汇编指令。

当我们点击上方的

，可以选择单步或多步执行（也可以使用快捷键

F7或F8）。若选择单步执行，每按一次F7，指令执行一次，可以看到，一次执行的为IF->ID->intEX->MEM->WB，没执行一次还有颜色的变化。颜色是用来标识指令处于哪个流水段的，如下图。

当然，我们也可以使用多步执行，按快捷键F8，选择5步流水，即可。

3.Pipeline窗口介绍

通过阅读WinDLX模拟器说明书可以知道，Pipeline窗口显示的是DLX处理器的内部结构。窗口用下图标识DLX五段流水。当然，如同Code窗口介绍讲述的那样，不同的颜色显示了指令处于哪段流水线。使用快捷键F7单步执行，可以明显的看出，不同时候流水段执行的不同指令。如下图。

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图片反映的正式与Code中所处的时刻相同的指令流水。可以清晰看到不同流水段执行的是哪条指令。

4.Clock Cycle Diagram窗口

实验准备中我们已经知道，该窗口显示的是流水线的时空图。时空图反映的是不同时隙内的运行情况。如下图。

在我看来，时空图是最好理解的。因为它反映的就是流水段的并行程度。在这个DLX模拟器中，并不存在一些数据或者控制上的冲突问题。所以可以依靠上图很清晰的看到指令所处的不同流水段，及指令执行情况。该时空图同样也是和前面的Code等相对应。也可以通过快捷键F7来进一步执行指令，可以看到流水线时空图的扩展情况。

任意双击指令的一行，可以详细看到不同流水段的情况。如下图所示。

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分支，如下图所示：

由上图可知，转移指令一共8条，成功转移2条（占25%），不成功为6条。所以，静态指令调度算法只能解决数据相关，条件转移结果与原来相比没有变化。即，若转移不成功，对流水线的执行无影响，流水线的吞吐率和效率没有降低；若转移成功，则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。

·实验总结

本次试验中，主要遇见一个问题，就是在当初文件加载时没有成功，后来通过查询资料和自己的尝试，发现，在选择文件的顺序很关键，它决定了文件在存储器中出现的顺序。

本次实验，主要通过对于三中相关的观察，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。

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实验三 DLX处理器程序设计

·实验目的

学习使用DLX汇编语言编程，进一步分析相关现象

·实验过程

A. 向量加法代码及性能分析 首先给据题目要求，需要熟练掌握DLX编程语言，然后根据规范格式编写向量的代码。

1) 向量声明

VectorLength: .word 16 //声明向量长度

Vector1: .word 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 //声明两个向量 Vector1和Vector2

Vector2: .word 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 Result: .space 4 //声明一个空间来存放打印的数据 Loop: //循环体

ld f10,Vector1(r2)

ld f12,Vector2(r2) //读入两个提前声明的向量 add f4,f2,f0 //加法运算 trap 5 //系统中断

2) 源代码

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运行结果分析

当运行到如下图所示的时候，则表示运行结束。

运行结果为

接下来我们可以查看Statistics可以看到运行结果的数据显示，如下图所示。

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1）程序相关性分析结果

数据相关 由上图的可以看出，该程序产生了11.31%的数据相关。所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

由于程序只简单的做了一次加法，所以没有结构相关产生。 控制相关

查看pipeline中可以看到，当执行到如下情况时，发生了控制相关。

由Statistics中的可以看出，其控制相关发生了5.3%。分析可知，由于系统按照预测成功来执行指令，所以执行bnez后马上将其下一条指令trap 读进来。

2）浮点运算部件带来的影响

当我们通过设置浮点部件的个数，并将程序运行完毕，查看Statistics中的数据作对比。如下图所示。

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将浮点加法器由1个增加为4个后（左图为4个），可以由上图看出，程序执行的性能未得到提升。 分析原因我们知道，由于该程序为产生浮点加法器的结构相关，所以增加浮点加法器的数量对程序执行的性能提升没有帮助。

3）forward部件的影响

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由上图的对比可以看出，增加forwarding技术后，流水线的加速比为： 474/352=1.347

流水线性能有明显改善。

4）转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销。

由Conditional Branches的数据可以看出，该转移指令“not taken”的情况占绝大多数（95.24%）。在一共的21中，发生了仅为1次，所以预测顺序取对流水线的性能是有利的。转移不成功时：顺序预取的下条指令可以直接在流水线中执行，保证流水线不断流；转移成功时：顺序预取的下条指令作废，需要转到转移地址处重新取指，流水线发生了断流现象。

·实验总结

在实验中，我主要遇到的问题是WinDLX所加载的.s文件不要出现中文格式，不然会导致加载失败（开始好几次为了方便我直接起名为“双精度浮点向量加.s”却怎么样也导入不成功）；在编写双精度浮点数运算时有些对于指令掌握不熟练，

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并且双精度double型运算指令，其所有的运算指令名称上面都要加上“d”才ok。而如果是单精度的，则需要添加字母“f”；其次，对于浮点数的相关设置，包括状态寄存器和浮点寄存器都需要在实验之前查资料了解透彻，不然在试验中就会有语法错误。

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

·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。

·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

·实验过程

选择上一个实验的向量加法运算作为优化对象。优化后的代码如下图所示。

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当如下图所示的时候证明已经执行完毕。

执行完毕后，我们点击Statistics查看运行结果数据分析。

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1）程序相关性分析结果 优化之后其中断数据显示为：

优化前为：

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由上述两图对比可以看出，

数据相关：其RAW相关由优化前的34.12%减少为20.57%，性能改善很多； 结构相关没有发生改变；

控制相关：由原来的3.94%变为4.75%，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）增加浮点运算部件对性能的影响。

上图左图为4个浮点部件执行结果，右图为原始默认1个浮点部件执行结果。由此可以看出，其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。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rbiv.html