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系统结构-流水线工作分析报告

第一篇：系统结构-流水线工作分析报告《计算机系统结构课内实验》实验报告一、实验目的及要求1、加深对计算机流水线基本概念的理解；2、理解MIPS结构如何用5段流水线来实现，理解各段的功能和基本操作；3、加深对数据冲突、结构冲突的理解，理解这两类冲突对CPU性能的影响。4、进一步理解解决数据冲突的方法，掌握如何应用定向技术来减少数据冲突引起的停顿。加深对计算机流水线基本概念的理解；二、实验环境采用指令级和流水线操作级模拟器WinDLX；三、实验内容1、用WinDLX模拟器进行结构相关的分析①生成汇编程序structure_d.s。用WinDLX模拟器运行该程序。②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。③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。2、用WinDLX模拟器进行数据相关分析①添加data.s程序。②通过Configuration菜单中的选项，设定在不采用定向技术的情况下，用WinDLX模拟器运行程序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。③在采用定向技术的情况下，用WinDLX模拟器再次运行程序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。3、用WinDLX模拟器分析指令调度①生成schedule-before.s及schedule-after.s程序。②通过Configuration菜单中的选项，将除法单元数设置为3，将加法﹑乘法﹑除法的延迟设置为3个时钟周期。③用WinDLX模拟器运行调度前的程序schedule-before.s。记录程序执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数。④用WinDLX模拟器运行调度后的程序schedule-after.s，记录程序执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数。4、综合改进在WinDLX上运行如下代码序列包含各种类型的冲突：①在没有任何其他定向（或旁路）硬件的支持下，假设采用排空流水线的策略处理分支指令，那么执行上述代码需要多少个时钟周期？②假设该流水线有正常的定向路径，且采用预测分支失败的策略处理分支指令，那么执行上述代码需要多少个时钟周期？③假设该流水线有正常的定向路径和一个单周期延迟分支，请对该循环中的指令进行调度，但是不能增加指令的条数。计算执行上述代码所需要的时钟周期数。四、实验步骤1、用WinDLX模拟器进行结构相关的分析①用WinDLX打开structure_d.s程序，单步执行，查看ClockCycleDiagram窗口；②指令“ADDIR2,R2,#8”和指令“LDF0,0(R2)”R2,R2,#8”、“ADDIR3，发生结构冲突；指令ADDIR3,#8”和“SUBIR5,R5,#1”这三条指令和“ADDDF4,F0,F2”存在结构相关。由图3可知，程序总共执行了117个时钟周期，所以暂停时钟数占总执行周期的百分比为：20/117=17.09%。2、用WinDLX模拟器分析数据相关①用WinDLX打开data_d.s程序，配置Configuration菜单中的选项，设定不采用定向技术。Statistics窗口内容如下：在不采用定向技术的情况下，data_d.s程序总过执行了202个时钟周期，其中由数据相关引起的暂停周期为104个，占总执行周期的51.48%。②设定采用定向技术。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，Statistics窗口内容如下：采用定向技术之后，data_d.s程序总过执行了128个时钟周期，其中由数据相关引起的暂停周期为30个，占总执行周期的23.44%。3、用WinDLX模拟器分析指令调度①用WinDLX模拟器运行调度前的程序schedule-before.s，通过Configuration菜单中的选项，将除法单元数设置为3，将加法﹑乘法﹑除法的延迟设置为3个时钟周期。记录程序执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数。Statistics窗口内容如下：程序执行的总时钟周期数为31，总暂停周期数为16，其中写后读相关（RAW）暂停周期为9个，Trap暂停周期为7个。②用WinDLX模拟器运行调度前的程序schedule_later.s。记录程序执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数。Statistics窗口内容如下：schedule_after.s程序执行的总时钟周期数为25，总暂停周期数为9，其中写后读相关（RAW）暂停周期为3个，Trap暂停周期为6个。4、综合改进①生成final_before.s：配置Config