《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》第三次實(shí)驗(yàn) WinDLX流水線實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)三 WinDLX流水線實(shí)驗(yàn)王宇航安全0901班09283020實(shí)驗(yàn)三 WinDLX流水線實(shí)驗(yàn)1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^本實(shí)驗(yàn)，加深對結(jié)構(gòu)相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和指令調(diào)度的理解，了解結(jié)構(gòu)相關(guān)對CPU性能的影響，掌握如何使用定向技術(shù)來減少數(shù)據(jù)相關(guān)帶來的暫停，了解指令調(diào)度技術(shù)對CPU性能改進(jìn)的好處。2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：2.1 用WinDLX模擬器進(jìn)行結(jié)構(gòu)相關(guān)的分析 1、生成structure.s程序。用WinDLX模擬器運(yùn)行該程序。 2、通過模擬，找出存在結(jié)構(gòu)相關(guān)的指令對，以及導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相關(guān)的部件。 3、記錄由結(jié)構(gòu)相關(guān)引起的暫停時(shí)鐘周期數(shù)，計(jì)算暫停時(shí)鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。2.2 用WinDLX模擬器分析數(shù)據(jù)相

2、關(guān) 1、生成data.s程序。 2、通過Configuration菜單中的選項(xiàng)，設(shè)定在不采用定向技術(shù)的情況下，用WinDLX模擬器運(yùn)行程序data_d.s。記錄數(shù)據(jù)相關(guān)引起的暫停時(shí)鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)，計(jì)算暫停時(shí)鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。 3、在采用定向技術(shù)的情況下，用WinDLX模擬器再次運(yùn)行程序data_d.s。記錄數(shù)據(jù)相關(guān)引起的暫停時(shí)鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)，計(jì)算暫停時(shí)鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。2.3 用WinDLX模擬器分析指令調(diào)度 1、生成sch-before.s及sch-after.s程序。 2、通過Configuration菜單中的選項(xiàng)，將除法

3、單元數(shù)設(shè)置為3，將加法乘法除法的延遲設(shè)置為3個(gè)時(shí)鐘周期。 3、用WinDLX模擬器運(yùn)行調(diào)度前的程序sch-before.s 。記錄程序執(zhí)行過程中各種相關(guān)發(fā)生的次數(shù)以及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)。 4、用WinDLX模擬器運(yùn)行調(diào)度后的程序sch-after.s ，記錄程序執(zhí)行過程中各種相關(guān)發(fā)生的次數(shù)以及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)。2.4 綜合實(shí)驗(yàn)（習(xí)題3.4）在WinDLX上運(yùn)行如下代碼序列：LOOP:LWR1,0(R2) ADDIR1,R1,#1SW0(R2),R1ADDIR2,R2,#4SUBR4,R3,R2BNEZR4,LOOP其中：R3的初值是R2+396。假設(shè)：在整個(gè)代碼序列的運(yùn)行過程中，所有

4、的存儲器訪問都是命中的，并且在一個(gè)時(shí)鐘周期中對同一個(gè)寄存器的讀操作和寫操作可以通過寄存器文件“定向”。1、 在沒有任何其他定向（或旁路）硬件的支持下，假設(shè)采用排空流水線的策略處理分支指令，且所有的存儲器訪問都是命中Cache，那么執(zhí)行上述代碼需要多少個(gè)時(shí)鐘周期？2、 假設(shè)該流水線有正常的定向路徑，且采用預(yù)測分支失敗的策略處理分支指令，所有的存儲器訪問都命中Cache，那么執(zhí)行上述代碼需要多少個(gè)時(shí)鐘周期？3、 假設(shè)該流水線有正常的定向路徑和一個(gè)單周期延遲分支，請對該循環(huán)中的指令進(jìn)行調(diào)度，但是不能增加指令的條數(shù)。計(jì)算執(zhí)行上述代碼所需要的時(shí)鐘周期數(shù)。3 實(shí)驗(yàn)過程：3.1 用WinDLX模擬器進(jìn)行結(jié)構(gòu)

5、相關(guān)的分析3.1.1 實(shí)驗(yàn)過程： 用WinDLX打開之前編寫好的structure.s程序，單步執(zhí)行，查看Clock Cycle Diagram窗口中的變化： 可以看出指令“ADDIR2, R2, #8 ”和指令“LD F0, 0(R2)”發(fā)生結(jié)構(gòu)沖突。可以看出“ADDIR2, R2, #8”、“ADDI R3, R3, #8” 和“SUBIR5, R5, #1”這三條指令和“ADDD F4, F0, F2”存在結(jié)構(gòu)相關(guān)。導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相關(guān)的部件是存儲數(shù)據(jù)和指令的存儲器部件。通過單步執(zhí)行可以在code窗口中觀察到程序的LOOP段共循環(huán)了10次，而且上述的因結(jié)構(gòu)沖突引起暫停的指令都是在LOOP循環(huán)中。

6、所以程序執(zhí)行完畢后，因結(jié)構(gòu)沖突引起的暫停周期數(shù)為2×10=20，由圖3可知，程序總共執(zhí)行了117個(gè)時(shí)鐘周期。所以暫停時(shí)鐘數(shù)占總執(zhí)行周期的百分比為：20/117 = 17.09 %。3.1.2 結(jié)構(gòu)相關(guān)對CPU性能的影響及解決結(jié)構(gòu)相關(guān)的方法：上述四對指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生了對存儲器訪問的資源沖突，即結(jié)構(gòu)相關(guān)問題。上述WinDLX的執(zhí)行過程采用了流水化功能單元的解決辦法來解決結(jié)構(gòu)相關(guān)，CPU產(chǎn)生了暫停周期，使流水線的性能下降。且暫停周期占總執(zhí)行周期的百分比還比較大，是一個(gè)不容忽視的問題。解決結(jié)構(gòu)相關(guān)通常需要采用流水線功能單元的方法或資源重復(fù)的方法。既然流水線功能單元的方法引入的暫停

7、影響了流水線的性能，可以考慮采用資源重復(fù)的方法，即在流水線機(jī)器中設(shè)置相互獨(dú)立的指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，也可將Cache分割成指令Cache和數(shù)據(jù)Cache，這樣就能夠很好的消除結(jié)構(gòu)相關(guān)。但是這樣做會帶來很大的硬件開銷，對流水線機(jī)器而言，如果要在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，能夠支持取指令操作和對數(shù)據(jù)的存儲訪問操作同時(shí)進(jìn)行，而又不發(fā)生結(jié)構(gòu)相關(guān)，那么存儲總線的帶寬必須要加倍。所以在解決該問題時(shí)要在性能和開銷兩方面進(jìn)行權(quán)衡。3.2 用WinDLX模擬器分析數(shù)據(jù)相關(guān)3.2.1 實(shí)驗(yàn)過程： 用WinDLX打開之前寫好的data_d.s程序，配置Configuration菜單中的選項(xiàng)，設(shè)定不采用定向技術(shù)。記錄數(shù)據(jù)相關(guān)引

8、起的暫停時(shí)鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)，結(jié)果如下：可以看出，在不采用定向技術(shù)的情況下，data_d.s程序總過執(zhí)行了202個(gè)時(shí)鐘周期，其中由數(shù)據(jù)相關(guān)引起的暫停周期為104個(gè)，占總執(zhí)行周期的51.48%。配置Configuration菜單中的選項(xiàng)，設(shè)定采用定向技術(shù)。記錄數(shù)據(jù)相關(guān)引起的暫停時(shí)鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)，結(jié)果如下：可以看出，采用定向技術(shù)之后，data_d.s程序總過執(zhí)行了128個(gè)時(shí)鐘周期，其中由數(shù)據(jù)相關(guān)引起的暫停周期為30個(gè)，占總執(zhí)行周期的23.44%。3.2.2 總結(jié)： 由上述記錄可知，通過定向技術(shù)，減少了數(shù)據(jù)相關(guān)所引起的暫停周期的數(shù)量，縮短了程序的執(zhí)行周期，整個(gè)性能

9、是原來的1.58倍。3.3 用WinDLX模擬器分析指令調(diào)度3.3.1 實(shí)驗(yàn)過程：通過Configuration菜單中的選項(xiàng)，將除法單元數(shù)設(shè)置為3，將加法乘法除法的延遲設(shè)置為3個(gè)時(shí)鐘周期。用WinDLX模擬器運(yùn)行調(diào)度前的程序sch-before.s 。記錄程序執(zhí)行過程中各種相關(guān)發(fā)生的次數(shù)以及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)。結(jié)果如下： 可以看出，sch-before.s程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)為31，總暫停周期數(shù)為16，其中寫后讀相關(guān)（RAW）暫停周期為9個(gè)，Trap 暫停周期為7個(gè)。用WinDLX模擬器運(yùn)行調(diào)度前的程序sch-after.s 。記錄程序執(zhí)行過程中各種相關(guān)發(fā)生的次數(shù)以及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期

10、數(shù)。結(jié)果如下：可以看出，sch-after.s 程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)為25，總暫停周期數(shù)為9，其中寫后讀相關(guān)（RAW）暫停周期為3個(gè)，Trap 暫停周期為6個(gè)。3.3.2 總結(jié)：經(jīng)調(diào)度之后，程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)從31減到了25，同時(shí)各種類型的暫停周期數(shù)也相應(yīng)了減少了。通過編譯器重新組織代碼順序來實(shí)現(xiàn)“指令調(diào)度”，消除了一部分的暫停周期，使流水線性能得到了提高。3.4 綜合實(shí)驗(yàn)（習(xí)題3.4）1、 根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二中的data_d.s程序，將程序做修改如下，生成3_4_before.s： 其中R2是數(shù)組A的基址，R3是數(shù)組B的基址，R3 = R2+4*9= R2+36，模擬了9個(gè)循環(huán)。因?yàn)镽3

11、=R2 + 396，所以共396/4 = 99個(gè)循環(huán)。 用WinDLX運(yùn)行3_4_before.s，配置Configuration菜單中的選項(xiàng)，設(shè)定不采用定向技術(shù)。程序在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的流水線時(shí)空圖如下所示：由圖中分支指令后的trap指令的執(zhí)行可以看出，WinDLX對分支指令采用的是預(yù)測分支失敗的方法，即在分支指令取指后的下一個(gè)周期取下一條指令。當(dāng)分支指令跳轉(zhuǎn)成功時(shí)，流水線就把在分支指令之后取出的所有指令轉(zhuǎn)化為空操作，并按分支目標(biāo)地址重新取指令執(zhí)行?？梢钥闯觯瑘?zhí)行一個(gè)循環(huán)需要 -15-（-30）=15個(gè)周期。在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，指令序列的流水線時(shí)空圖如下所示：S代表R-Stall。與WinDLX

12、中運(yùn)行出的流水線時(shí)空圖不同之處在于，這里采用的是排空流水線處理分支指令，即在第15時(shí)鐘周期，當(dāng)流水線在ID段檢測到分支指令“BNEZ R4, LOOP”后，就暫停執(zhí)行其后的所有指令，直到分支指令到達(dá)MEM段，確定是否分支成功并計(jì)算出新的PC值為止。這里，因?yàn)榉种С晒Γ灾匦氯≈噶睢癓WR1, 0(R2)”執(zhí)行。由圖9可以看出，執(zhí)行完一個(gè)循環(huán)需要的時(shí)鐘周期數(shù)為：18 -1 =17. 由于R3 =R2 + 396，因此共有396/4 = 99個(gè)循環(huán)。故執(zhí)行完整個(gè)程序所需要的時(shí)鐘周期數(shù)為 17×98 + 18 = 1684。2、 用WinDLX運(yùn)行3_4_before.s，配置Confi

13、guration菜單中的選項(xiàng)，設(shè)定采用定向技術(shù)。程序在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的流水線時(shí)空圖如下所示： 由上述可知WinDLX對分支指令采用的是預(yù)測分支失敗的方法。且由圖10可以看出，在采用定向的條件下，執(zhí)行一個(gè)循環(huán)需要-2-（-11）= 9個(gè)周期。在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，指令序列的流水線時(shí)空圖如下所示： 與WinDLX中運(yùn)行出的流水線時(shí)空圖不同之處在于，這里分支指令后沒有“TRAP #0”指令。因而在采用預(yù)測分支失敗的策略處理分支指令的情況下，流水線中繼續(xù)流水的是“LW R1, 0(R2)”指令。分支成功后重新取指令“LW R1, 0(R2)”執(zhí)行。 由圖可知，執(zhí)行完一個(gè)循環(huán)需要的時(shí)鐘周期數(shù)為：11 -1

14、=10。 執(zhí)行完整個(gè)程序所需要的時(shí)鐘周期數(shù)為 10×98 + 11 = 991。3、 按照題的要求對該循環(huán)中的指令進(jìn)行調(diào)度，采用的調(diào)度方法為：將獨(dú)立執(zhí)行的指令“ADDIR2, R2, #4”前移至“LW R1, 0(R2)”后；將分支指令前的一條指令“SW 0(R2), R1”修改為“SW -4(R2), R1”，后移至分支指令“BNEZR4, LOOP”后作為延遲槽中的指令。調(diào)度后程序如下所示：將調(diào)度后的程序保存為3_4_after.s，導(dǎo)入WinDLX，設(shè)定為采用定向技術(shù)，運(yùn)行該程序。在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，該指令序列的流水線時(shí)空圖如下所示：由上圖可以看出，在采用預(yù)測分支失敗的策略處理分支指令時(shí)，分支指令“BNEZ R4, LOOP”跳轉(zhuǎn)成功后，停止了其后繼指令“SW -4(R2), R1”的執(zhí)行，直接轉(zhuǎn)向分支目標(biāo)指令“LW R1, 0(R2)”處執(zhí)行。在這種情況下，執(zhí)行一個(gè)循環(huán)需要 -3-（-10）=7個(gè)時(shí)鐘周期。 在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，指令序列的流水線時(shí)空圖如下所示： 與WinDLX中運(yùn)行出的流水線時(shí)空圖不同之處在于，這里是采用單周期延遲分支的