西安交大計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告第一次實(shí)驗(yàn)：記分牌算法和Tomasulo算法第二次實(shí)驗(yàn)：cache性能分析班級(jí)：物聯(lián)網(wǎng)21姓名：李偉東學(xué)號(hào)：2120509011日期：2015.5.21第一次實(shí)驗(yàn)：記分牌算法和Tomasulo算法一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?. 掌握DLXview模擬器的使用方法；2. 進(jìn)一步理解指令動(dòng)態(tài)調(diào)度的基本思想，了解指令動(dòng)態(tài)調(diào)度的基本過程與方法；3. 理解記分牌算法和Tomasulo算法的基本思想，了解它們的基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)行過程；4. 比較分析基本流水線與記分牌算法和Tomasulo算法的性能及優(yōu)缺點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)環(huán)境DLXview模擬器三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 用DLX匯編語言編寫代碼文件*.

2、s（程序中應(yīng)包括指令的數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)以及結(jié)構(gòu)相關(guān)），以及相關(guān)的初始化寄存器文件*.i和數(shù)據(jù)文件*.d；2. 觀察程序中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)、結(jié)構(gòu)相關(guān)，并指出三種相關(guān)的指令組合；四、實(shí)驗(yàn)步驟將自己編寫的程序*.s、*.i、*.d裝載到DLXview模擬器上， （1） 分別用基本流水線、記分牌算法和Tomasulo算法模擬，針對(duì)每一種模擬做如下分析： 統(tǒng)計(jì)程序的執(zhí)行周期數(shù)和流水線中的暫停時(shí)鐘周期數(shù)； 改變功能部件數(shù)目重新模擬，觀察并記錄性能的改變； 改變功能部件延遲重新模擬，觀察并記錄性能的改變；論述功能部件數(shù)目、功能部件延遲對(duì)性能的影響。（2） 記錄運(yùn)行記分牌算法時(shí)的功能部件狀態(tài)表和指令

3、狀態(tài)表；（3） 記錄運(yùn)行Tomasulo算法時(shí)的指令狀態(tài)表和保留站信息；五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1）基本流水線原始即加法延遲2，乘法延遲5，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該段程序運(yùn)行了11個(gè)時(shí)鐘周期增加了一個(gè)除法器。加法器延遲2，乘法器延遲5，除法器延遲19。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該段程序運(yùn)行了11個(gè)時(shí)鐘周期。增加除法器對(duì)程序的執(zhí)行無影響。加法器延遲2，乘法器延遲6，無除法器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該段程序運(yùn)行了12個(gè)時(shí)鐘周期乘法器的延遲對(duì)程序執(zhí)行有有影響。加法器延遲1，乘法器延遲5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該段程序運(yùn)行了11個(gè)時(shí)鐘周期。整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明增加功能部件的數(shù)目對(duì)程序的執(zhí)行效率基本沒有影響。改變加法器的延遲時(shí)間對(duì)程序的執(zhí)行效率也沒有影響，乘法器

4、的延遲時(shí)間對(duì)程序的執(zhí)行效率有影響（2）Tomsulo算法整數(shù)保留站：1 延遲：1加法器保留站：2 延遲：2乘法器保留站：2 延遲：5整數(shù)保留站：2 延遲：1加法器保留站：2 延遲：2乘法器保留站：2 延遲：5增加整數(shù)保留站的數(shù)目加快了程序的執(zhí)行。整數(shù)保留站：1 延遲：1加法器保留站：2 延遲：2乘法器保留站：2 延遲：6整數(shù)保留站：1 延遲：1加法器保留站：2 延遲：2乘法器保留站：2 延遲：10增加乘法保留站的延遲時(shí)間對(duì)程序的執(zhí)行沒有影響整數(shù)保留站：1 延遲：1加法器保留站：2 延遲：1乘法器保留站：2 延遲：5整數(shù)保留站：1 延遲：1加法器保留站：2 延遲：2乘法器保留站：2 延遲：5除法

5、保留站：1 延遲：19整數(shù)保留站：1 延遲：1加法器保留站：2 延遲：1乘法器保留站：2 延遲：3除法保留站：1 延遲：10整數(shù)保留站：1 延遲：1加法器保留站：2 延遲：3乘法器保留站：2 延遲：7除法保留站：1 延遲：26（1） 通過實(shí)驗(yàn)改變保留站的數(shù)目發(fā)現(xiàn)改變加法器或者乘法器或者除法器保留站的數(shù)目，程序的執(zhí)行效率不變，但改變?cè)黾诱麛?shù)保留站的數(shù)目能加快程序的執(zhí)行。（2） 通過實(shí)驗(yàn)改變保留站的延遲時(shí)間發(fā)現(xiàn)改變加法器或者乘法器或者除法器保留站的延遲時(shí)間，程序的執(zhí)行效率不變，但改變?cè)黾诱麛?shù)保留站的延遲時(shí)間能使程序的執(zhí)行變慢 。六、總結(jié)Tomasulo算法的基本思想：只要操作數(shù)有效，就將其取到保留

6、站，避免指令流出時(shí)才到寄存器中取數(shù)據(jù)，這就使得即將執(zhí)行的指令從相應(yīng)的保留站中取得操作數(shù)，而不是從寄存器中。指令的執(zhí)行結(jié)果也是直接送到等待數(shù)據(jù)的其它保留站中去。因而，對(duì)于連續(xù)的寄存器寫，只有最后一個(gè)才真正更新寄存器中的內(nèi)容。一條指令流出時(shí)，存放操作數(shù)的寄存器名被換成為對(duì)應(yīng)于該寄存器保留站的名稱（編號(hào)）。通過這次試驗(yàn)使我對(duì)Tomasulo算法的理解又加深了一步。 第二次實(shí)驗(yàn)：cache性能分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙笸ㄟ^實(shí)驗(yàn)理解Cache容量，Cache塊大小，相聯(lián)度，替換算法對(duì)cache的性能影響。二、實(shí)驗(yàn)環(huán)境Vmware虛擬機(jī)，ubantu 操作系統(tǒng)，sim-cache模擬器三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使用sim-

7、cache模擬器運(yùn)行simplescarlar目錄下的自帶測(cè)試程序，在每個(gè)程序運(yùn)行前修改相應(yīng)的cache配置參數(shù)（sets數(shù)量，塊大小，相聯(lián)度，塊替換策略，每次改變一個(gè)參數(shù)，其余參數(shù)保持不變），觀察運(yùn)行后的失效率的變化，并記錄運(yùn)行結(jié)果并進(jìn)行分析(一級(jí)數(shù)據(jù)cache dl1的容量配置)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.運(yùn)行sim-cache模擬器，統(tǒng)計(jì)默認(rèn) Cache設(shè)置運(yùn)行程序的總失效次數(shù)、容量失效與沖突失效次數(shù)，強(qiáng)制性失效次數(shù)三種不同種類的失效次數(shù)；2.改變 Cache容量(*2,*4,*8,*64)，統(tǒng)計(jì)各種失效的次數(shù)，并分析 Cache容量對(duì) Cache 性能的影響；3.改變 Cache 的相

8、聯(lián)度（1 路，2 路，4 路，8 路，64 路），運(yùn)行程序（指明所選的測(cè)試程序），統(tǒng)計(jì)各種失效的次數(shù)，并分析相聯(lián)度對(duì)Cache性能的影響；4.改變 Cache塊大小(*2,*4,*8,*64) ，統(tǒng)計(jì)各種失效的次數(shù)，并分析 Cache塊大小對(duì) Cache性能的影響；5.分別采用 LRU 與隨機(jī)法，在不同的Cache容量、不同的相聯(lián)度下，運(yùn)行程序，統(tǒng)計(jì) Cache總失效次數(shù)，計(jì)算失效率。分析不同的替換算法對(duì) Cache性能的影響；6總結(jié)Cache失效及其代價(jià)。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1. 統(tǒng)計(jì)默認(rèn) Cache設(shè)置運(yùn)行程序（32個(gè)組，Cache塊大小為32個(gè)byte，相聯(lián)度為2，替換策略為L(zhǎng)RU）的總失效次數(shù)

9、、容量失效與沖突失效次數(shù)，強(qiáng)制性失效次數(shù)總失效次數(shù)總的失效率容量失效與沖突失效次數(shù)強(qiáng)制性失效次數(shù)13950.02431331642. 改變 Cache容量(*2,*4,*8,*64)，統(tǒng)計(jì)各種失效的次數(shù)，并分析 Cache容量對(duì) Cache 性能的影響；Cache容量*2Cache容量*4Cache容量*8Cache容量*64cache容量總的失效次數(shù)總的失效率容量失效和沖突失效總次數(shù)強(qiáng)制性失效次數(shù)32KB13950.024313316464KB8400.0146712128128KB6690.0116413256256KB5580.00971244342048KB5420.00940542從

10、上表得出，隨著cache容量的不斷增加，程序的失效率不斷降低。容量失效和沖突失效的次數(shù)隨著cache容量的增加不斷地減少，而強(qiáng)制性失效次數(shù)則不斷地增加。3. 改變 Cache 的相聯(lián)度（1 路，2 路，4 路，8 路，64 路），運(yùn)行程序（指明所選的測(cè)試程序），統(tǒng)計(jì)各種失效的次數(shù)，并分析相聯(lián)度對(duì)Cache性能的影響；Cache 的相聯(lián)度1路，Cache 的相聯(lián)度2 路，Cache 的相聯(lián)度4 路，Cache 的相聯(lián)度8 路，Cache 的相聯(lián)度64 路，Cache相聯(lián)度總的失效次數(shù)容量失效和沖突失效總次數(shù)強(qiáng)制性失效次數(shù)1路410340713227175891288路5

11、7531925664路5420542從上表得出，隨著相聯(lián)度的增加，總的失效次數(shù)減小，程序的失效率逐漸降低，但降低的幅度比較小。容量失效和沖突失效的次數(shù)隨著相聯(lián)度的增加不斷地減少，而強(qiáng)制性的失效次數(shù)則不斷地增加。4. 改變 Cache塊大小(*2,*4,*8,*64) ，統(tǒng)計(jì)各種失效的次數(shù)，并分析 Cache塊大小對(duì) Cache性能的影響；Cache塊大小64KBCache塊大小128KBCache塊大小256KBCache塊大小2048KBCache塊大小總的失效次數(shù)容量失效和沖突失效總次數(shù)強(qiáng)制性失效次數(shù)32KB139513316464KB73366964128KB101256KB101204

12、8KB101從上表得出，隨著塊大小的增加，總的失效次數(shù)不斷降低，容量失效和沖突失效的次數(shù)也不斷降低，強(qiáng)制性的失效次數(shù)也不斷地降低，且幅度都比較大。5. 分別采用 LRU 與隨機(jī)法，在不同的Cache容量、不同的相聯(lián)度下，運(yùn)行程序，統(tǒng)計(jì) Cache總失效次數(shù)，計(jì)算失效率。分析不同的替換算法對(duì) Cache性能的影響；隨機(jī)法，cache容量32KB，2路相聯(lián)隨機(jī)法，cache容量64KB，2路相聯(lián)隨機(jī)法，cache容量128KB，2路相聯(lián)隨機(jī)法，cache容量256KB，2路相聯(lián)隨機(jī)法，cache容量32KB，1路相聯(lián)隨機(jī)法，cache容量32KB，4路相聯(lián)隨機(jī)法，cache容量32KB，8路相聯(lián)隨

13、機(jī)法，cache容量32KB，64路相聯(lián)替換策略Cache容量相聯(lián)度總的失效次數(shù)容量失效和沖突失效總次數(shù)強(qiáng)制性失效的次數(shù)LRU32KB2路1395133164隨機(jī)法32KB2路1443137964LRU64KB2路840712128隨機(jī)法64KB2路894768126LRU128KB2路669413256隨機(jī)法128KB2路697458239LRU256KB2路558124434隨機(jī)法256KB2路585219366LRU32KB1路4103407132隨機(jī)法32KB1路4103407132LRU32KB4路717589128隨機(jī)法32KB4路803675128LRU32KB8路575319256隨機(jī)法32KB8路617388227LRU32KB64路5420542隨機(jī)法32KB64路55062488從上表我們可以分析得出，最近最少使用策略（LRU）相對(duì)較好，比隨機(jī)法總的失效次數(shù)少，容量失效和沖突失效次數(shù)比隨機(jī)法少，但強(qiáng)制性失效次數(shù)比使用隨機(jī)法替換策略多。6. 總結(jié)Cache失效及其代價(jià)。從Cache容量，Cache塊大小，相聯(lián)度，替換算法等方面能改善cache的性能。隨著