系统结构实验报告一

《计算机系统结构课内实验》
实验报告
班级：计算机01
姓名：陈世阳
学号：10055008
日期：2013.5.10
一、实验目的及要求
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。

二、实验环境
WinDLX模拟器
三、实验内容
1.用WinDLX模拟器执行下列三个程序（任选一个）：
●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。

注意：fact.s中调用了input.s中的输入子程序。

load程序时，要两个程序一起装入（都select后再点击load）。

gcm.s也是如此。

2.用WinDLX运行程序structure_d.s，通过模拟：
●找出存在结构相关的指令对以及导致结构相关的部件；
●记录由结构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；
●论述结构相关对CPU性能的影响，讨论解决结构相关的方法。

3.在不采用定向技术的情况下（去掉Configuration菜单中Enable Forwarding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。

4.在采用定向技术的情况下（勾选Enable Forwarding），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。

四、实验步骤及结果
1.（1）用winDLX执行求最大公倍数程序gcm.s:
File->load code or data->分别选中gcm.s和input.s->select.
（2）首先直接运行整个程序（enable forwarding），execute->run(或按F
5)
例如，输入如下：
求得的结果为gcm =7，显然，这是正确的。

（3）再来看此时statistics栏和register栏的情况。

如下图：
从statistics 可以看出共执行了147个cycle，共有64个冲突（43.54%）。

其中有32个RAW stall，5个LD stall。

再来看Register,这里我们主要关注的是R1，R2和R14.R1，R2的内容是7，, R14的内容是1028，分析代码我们可以发现，这是采用辗转相减法来求最大公约数的。

代码中有两个循环体，一个是（R1）-（R2），一个是（R2）-（R1），循环的终止条件是R1=R2.求7和21的终止条件则是R1中的值和R2中的值是7，此时我们要求的结果就在R1或R2中。

并且我们将结果存入内存中，内存地址为0X00001028，这个地址存放在R14中。

做这个实验主要是为了熟悉WinDXL软件的使用方法和分析statistics结果及Regis ter的内容。

2.用WinDLX运行程序structure_d.s（enable forwarding）
找出引起结构相关的指令和部件：
（1）代码中存在最多的是IF和ID部件引起的结构冲突，因为上一条指令一直占据着IF或ID而导致下一条指令迟迟无法进入流水线和进入ID，我认为这是一种结构相关引起的冲突。

如下图：
又如以下两条指令：
不仅有RAW冲突，还有ID和fddEX部件上的结构冲突。

通过手数，发现一共存在9个cycle由于结构相关引起的stall。

一共执行了139cycle s,共占6.47%。

解决结构相关最直接的方法就是部件冗余技术。

另一种方法是进行指令调度。

指令调度的方法在下一个小实验中会用到。

3.在不采用定向技术的情况下（去掉Configuration菜单中Enable Forwarding选项前的勾选符），用WinDLX运行程序data_d.s。

执行的结果如下：
由于数据相关引起的stall为104个cycles,总cycle数为202.共占51.48%。

采用定向技术后（勾选Enable Forwarding），
明显地发现，数据相关引起的stall减少了，只有30个，占23.44%。

导致total cycles 也减少为128.
性能提高为原来的202/128=1.578倍。

4.我自己编写了一个test.s的代码。

代码比较短，直接分析如下：
multf f10,f0,f2
subd f10,f4,f6 //这两条间存在WAW
multf f6,f8,f14
addd f10,f4,f6 //这两条间存在RAW
addi r1,r0,#32 //给r1初值32.用来作循环计数变量
Loop:
lf f0,0(r1) //把r1指向的内存单元的值送给f0
addd f4,f0,f2 //跟上一条存在RAW冲突
sd 0(r1),f4 //跟上一条存在RAW冲突
addi r1,r1,#-8 //r1自减每次减8
bnez r1,Loop //判断循环是否终止
trap 0
（1）首先在不使用定向技术，只有一个加法器，一个乘法器下，执行这一程序：
基本statistics如下：
可以看到共执行了74 cycles，26条指令，一共47个stalls，37个RAW stalls,4个W A W stalls,没有结构冲突，3个控制冲突（因为循环执行了4次，第一次为必执行）。

现在来看采用了定向技术后对性能的影响：
可以知道性能提高了1.37倍。

再来对代码进行循环展开和指令调度。

4次循环完全展开，并进行指令调度如下：
multf f10,f0,f2
subd f10,f4,f6
multf f6,f8,f14
addd f10,f4,f6
addi r1,r0,#32
Loop:
lf f0,0(r1)
lf f6,-8(r1)
lf f10,-16(r1)
lf f14,-24(r1)
addd f4,f0,f2
addd f8,f6,f2
addd f12,f10,f2
addd f16,f14,f2
sd 0(r1),f4
sd -8(r1),f8
addi r1,r1,#-32
sd 16(r1),f12
bnez r1,Loop
sd 8(r1),f16
trap 0
在不采用定向技术下，执行的结果如下：
可以看出，优化后，数据冲突引起的停顿已经大幅度减少，但是引入了新的冲突-结构冲突。

这是循环展开和指令调度的带价：将几条性质相同的指令连续执行，必然要求有几套重复的部件。

性能提高了74/43=1.72倍。

采用了定向技术后：
性能提高了74/37=2倍。

五、总结
1.通过本次试验，我对于DLX仿真平台和DLX指令有了一定程度的认识，基本上能够读懂DLX编写的程序。

2，进一步掌握和巩固了流水线的基本知识，加深了对数据相关和结构相关的理解。

同时通过观察实验数据，对流水线的冲突和解决冲突的方法有了更深入的认识，当出现冲突时，对指令进行调度是一个比较好的解决方法。

3.加强了在编程时，数据间相关性的意识，不自觉就想尽量让写的程序中相关性少点。

七、附录（源程序清单）
Test.s
multf f10,f0,f2
subd f10,f4,f6
multf f6,f8,f14
addd f10,f4,f6
addi r1,r0,#32
Loop:
lf f0,0(r1)
addd f4,f0,f2
sd 0(r1),f4
addi r1,r1,#-8
bnez r1,Loop
trap 0
************************************************ Test2.s
multf f10,f0,f2
subd f10,f4,f6
multf f6,f8,f14
addd f10,f4,f6
addi r1,r0,#32
Loop:
lf f0,0(r1)
lf f6,-8(r1)
lf f10,-16(r1)
lf f14,-24(r1)
addd f4,f0,f2
addd f8,f6,f2
addd f12,f10,f2
addd f16,f14,f2
sd 0(r1),f4
sd -8(r1),f8
addi r1,r1,#-32
sd 16(r1),f12
bnez r1,Loop
sd 8(r1),f16
trap 0。