Tomasulo算法实验报告

高级计算机系统结构

Tomasulo算法实验报告

Tomasulo算法实验

一、实验目的

（1）加深对指令集并行性及开发的理解。 （2）加深对Tomasulo算法的理解。.

（3）掌握Tomulo算法在指令流出、执行、写结果各阶段对浮点操作指令以及

load和store指令进行什么处理。

（4）掌握采用了Tomasulo算法的浮点处理部件的结构。 （5）掌握保留站的结构。

（6）给定被执行代码片段，对于具体某个时钟周期，能够写出保留站、指令状

态表以及浮点寄存器状态表内容的变化情况。

二、实验平台

采用Tomasulo算法模拟器。

Tomasulo算法基本思想：记录和检测指令相关，操作数一旦就绪就立即执行，把发生RAW冲突的可能性减少到最小；通过寄存器换名来消除WAR冲突和WAW冲突。

三、实验内容和步骤

实验一

（1）学会使用Tomasulo算法。假设浮点功能部件的延迟时间为加减法2个周期，乘法10个时钟周期，除法40个时钟周期，load部件2个时钟周期。

① 对于下面的代码段，给出当指令MUL.D写结果时，保留站、load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。 L.D F6, 24(R2) L.D F2, 12(R3) MUL.D F0, F2,F4 SUB.D F8,F6,F2 DIV.D F10,F0,F6

ADD.D F6,F8,F2

②按步进方式执行上述代码，利用模拟器的“小三角按钮”的对比显示功能，观察每一个时钟周期前后各信息表中内容的变化情况。 （2）对与上面相同的延迟时间和代码段。

①给出在第3个时钟周期时，保留站、load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。

②步进5个时钟周期，给出这时保留站、load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。

③再步进10个时钟周期，给出这时保留站、load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。 实验二

假设浮点功能部件的延迟时间为加减法3个时钟周期，乘法8个时钟周期，除法40个时钟周期。对于下面的代码重复实验一中步骤（2）的内容。编写代码如下：

L.D F6, 28(R2) ADD.D F2,F4,F8 MUL.D F0, F2,F4 SUB.D F8,F6,F2 DIV.D F12,F0,F6 ADD.D F10,F8,F2

四、实验结果及分析

说明：R[X]表示寄存器X的内容，M[y]表示存储器存储单元y的内容：

实验一结果

浮点功能部件的延迟时间为加减法2个周期，乘法10个时钟周期，除法40个时钟周期，load部件2个时钟周期，根据实验结果可知程序全部执行完需要57个时钟周期。

1)当指令MUL.D写结果时，保留站、load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。根据实验结果得出MUL.D写结果时是第16个周期，此时各部件的状态如下所示：

① 其指令执行状态如下：

②其保留站内容如下：

分析：此时SUB.D、ADD.D和MULt1已经执行完毕，所以Busy状态为“no”，而DIV.D还未执行完，所以保留站Mult2仍处于忙碌状态。 ③load缓冲器内容

:

分析：此时Loda缓冲器处于闲置状态，因为只有前两条指令需要计算地址，

而前两条指令在第5个周期时已经执行完，所以指导程序运行完的所有周期中该部件都是处于闲置状态的。 ④寄存器内容：

2）第3个时钟周期时，保留站、load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。 ①指令状态

②保留站内容

分析：第3个时钟周期时MULT.D指令流出，所以保留站的Mult1处于忙碌状态。

③load缓冲器内容

:

分析：第3个时钟周期时前两条去操作数的指令还为执行完，所以load缓冲器的前两个缓冲器处于忙状态。 ④寄存器

3)步进5个时钟周期，给出这时保留站、load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。

步进5个时钟周期后，是程序执行的第8个周期，此时各部件的状态如下： ①指令状态（此时SUB.D指令恰好执行完成）

②保留站内容

分析：第8个周期时L.D和SUB.D三条指令执行完毕，其余三条未完成，所以保留站中仍有其他三条的信息。 ③load缓冲器内容

:

④寄存器内容

4）再步进10个时钟周期，这时处于执行周期的第18个周期，这时保留站、load缓冲器以及寄存器状态表中的内容： ①指令状态

分析：第18个周期时只剩下DIV.D指令未执行完，并且此时正处于执行的

等待阶段。 ②保留站

分析：此时其余指令全部执行完毕，只有DIV.D还未执行完，所以只有保留站Mult2仍处于忙碌状态。 ③Load缓冲器

④寄存器

实验二结果

浮点功能部件的延迟时间为加减法3个周期，乘法8个时钟周期，除法40个时钟周期，load部件2个时钟周期。根据实验结果可知该程序需要56个周期执行完成。（分析与实验一类似，不再赘述）

（1）第3个时钟周期时，保留站、load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。 ①指令状态

②保留站

③load缓冲器内容

:

④寄存器内容

（2）步进5个时钟周期，给出这时保留站、load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。 ①指令状态：

②保留站内容：

③Load部件内容：

④寄存器部件内容：

（3）再步进10个时钟周期，给出这时保留站、load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。 ①指令状态：

②保留站内容：

③Load部件内容：

④寄存器部件内容：

五、实验总结

1.对并行性的理解

流水线使指令重叠并行执行，可以达到提高性能的目的，如果指令间没有相关性，可以并行执行，例如程序中前两个指令的流出和执行阶段，第二周期时第二条LOAD.D的流出和第一条LOAD.D的执行同时进行，从而提高了指令执行的效率。但是由于程序之间的相互依赖性，使得流水线中指令流的下一条指令不能在指定的时钟周期执行，这就是流水线冲突。因此为了更好的使程序的运行按时完成，我们必须采取相应的措施解决流水线相关引起的问题，而Tomasulo算法就是解决该问题的方法之一。 2、对Tomasulo算法的理解

Tomasulo算法的核心思想是：①记录和检测指令相关，操作数一旦就绪就立即执行，把发生RAW冲突的可能性减少到最小；②通过寄存器换名来消除WAR冲突和WAW冲突。使用Tomasulo算法的流水线需3段： （1）流出：从指令队列的头部取一条指令。

①如果该指令的操作所要求的保留站有空闲的，就把该指令送到该保留站（设为r）。

②如果其操作数在寄存器中已经就绪，就将这些操作数送入保留站r。

③如果其操作数还没有就绪，就把将产生该操作数的保留站的标识送入保留站r。一旦被记录的保留站完成计算，它将直接把数据送给保留站r。完成对目标寄存器的预约工作，如果没有空闲的保留站，指令就不能流出。 （2） 执行

①当两个操作数都就绪后，本保留站就用相应的功能部件开始执行指令规定的操作。

②load和store指令的执行需要两个步骤：计算有效地址（要等到基地址寄存器就绪）；把有效地址放入load或store缓冲器。 （3） 写结果

功能部件计算完毕后，就将计算结果放到CDB上，所有等待该计算结果的寄存器和保留（包括store缓冲器）都同时从CDB上获得所需要的数据。 3、Tomasulo算法的浮点处理部件的结构

Tomasulo算法的浮点处理部件包括：保留站（浮点加法器有3个保留站：

ADD1，ADD2，ADD3；浮点乘法器有两个保留站：MULT1，MULT2）、公共数据总线CDB 、load缓冲器和store缓冲器、浮点寄存器FP、指令队列、运算部件（浮点加法器和浮点乘法器） 4、保留站的结构

每个保留站有以下6个字段： ①Op：要对源操作数进行的操作。

②Qj，Qk：将产生源操作数的保留站号。等于0表示操作数已经就绪且在Vj或Vk中，或者不需要操作数。

③Vj，Vk：源操作数的值。对于每一个操作数来说，V或Q字段只有一个有效。对于load来说，Vk字段用于保存偏移量。 ④Busy：为“yes”表示本保留站或缓冲单元“忙”。

⑤A：仅load和store缓冲器有该字段。开始是存放指令中的立即数字段，地址计算后存放有效地址。

⑥ Qi：寄存器状态表。每个寄存器在该表中有对应的一项，用于存放将把结果写入该寄存器的保留站的站号。为0表示当前没有正在执行的指令要写入该寄存器，也即该寄存器中的内容就绪。

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