北邮实验二 指令流水线相关性分析
上传者：庞忠军|上传时间：2015-05-07|密次下载
北邮实验二 指令流水线相关性分析
北 京 邮 电 大 学
计算机学院
2015年4月 《计算机系统结构》课程实验
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、 实验学时：4
四、 实验组人数：1/1
五、 实验设备环境：WinDLX模拟器可以装入DLX汇编语言程序，然后单步、设置断点或者连续执行该程序。CPU的寄存器、流水线、I/O和存储器都可以使用图形的方式表示出来。模拟器还提供了对流水线操作的统计功能。该模拟器对理解流水线和RISC处理器的特点很有帮助。
六、 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。
七、 教学要点与学习难点：三种相关及其解决办法
八、 实验内容和要求：使用WinDLX模拟器，对求阶乘程序Fact.s做分析
九、 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。
十、实验过程：
同实验一、选择File/Load Code or Data，窗口中会列出目录中所有汇编程序。按如下步骤操作，可将这两个文件装入主存。
? 点击 fact.s ? 点击 select 按钮 ? 点击 input.s ? 点击 select按钮 ? 点击 load按钮 以下3个相关的观察实验（floating为1,4）
数据相关及指令组合：
在第27个周期里，Clock Cycle Diagram窗口的时空图和Pipeline窗口中的流图第一次出现了橘黄色的R-Stall。点击Pipeline的橘黄色框，出现的Information about seqi r5,r3,0xa中有图：
lbu r3,0x0(r2)要在WB周期写回r3中的数据，而下一条指令 seqi r5,r3,0xa 要在intEX周期中读取r3中的数据。发生了写读相关。所以为了避免冲突，seqi r5,r3,0xa的intEX指令延迟了一个周期进行。
相关指令组合
控制相关及指令组合：
在第四时钟周期，第一条命令正处于MEM段，第二条命令处于intEX段，第四条命令处于IF段，而第三条命令处于"aborted"。
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原因是：第二条命令jal InputUnsigned是无条件分支指令， 但只有在第三个时钟周期， jal 指令被译码后才知道。这时，下一条命令movi2fp已经取出，但需执行的下一条命令在另一个地址处，因而，movi2fp的执行应被取消，在流水线中留下气泡。此处发生了控制相关。 相关指令组合
结构相关及指令组合：
在下图中，Clock Cycle Diagram窗口的时空图可发现指令Stall了3个周期。 点击右上图Pipeline窗口流水线的亮黄色框，则弹出的Information about addi r2,r2,0x1显示如右图：
addi r2, r2, 0x1 该指令与它前面的一天指令 add r1,r1, r3发生了结构相关。由于上一条指令由于数据相关需要停3个周期，在ID段后停滞，不能进入intEX段，故 addi r2,r2,0x1 就不能进入ID段，译码部分已经被占用。故发生了结构相关。
相关指令组合
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考察增加浮点运算部件对性能的影响
该实验取N=20首先通过，点击Floating Point Stage Configuration来设置浮点
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1，第二次浮点运算部件取全部为
2。把延迟设定为4个周期
按F5运行程序 输入值为20
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。由此可见，浮点运算部件的增减对效率无影响。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。
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