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

Windows XP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

lbu r3,0×0(r2)

要在WB周期写回r3中的数据；而下一条指令

seqi r5,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，

seq r5,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sd PrintfValue(r0),f0，转而执行led f0/4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addi r2,r2,0×1的详细信息。该指令与它前一条指令add r1,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（addi r2,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enable forwarding，以及不勾选enable configuration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。