实验一基本实验 ----by 王琳 PB07210432
1. 实验目的：
1）熟悉计算机流水线基本概念
2）了解DLX基本流水线的各段的功能
3）了解各种不同指令在流水线中的实际流动情况
4）对流水线做性能分析
5）了解影响流水线效率的因素——数据相关、结构相关、控制相关，了解相关的种类
6）了解解决数据相关的方法
2. 实验平台：WinDLX仿真器
WinDLX简介:
是一个图形化、交互式的DLX流水线仿真器。
可以装入DLX汇编语言程序,然后单步,设断点或是连续执行该程序.
CPU的寄存器,流水线,I/O和存储器都可以用图形表示出来
提供了对流水线操作的统计功能.
可以装载文件名为*.s的文件.
要求的硬件平台是IBM-PC兼容机.
WinDLX是一个Windows应用程序,运行以上和以上的操作系统.
WinDLX软件包中带有说明文件及教程,可以供使用者进一步了解仿真器的使用方法和DLX处理器的原理.大家再进行实验前应该仔细阅读这些文档.
3. 实验内容：
1）在仿真器上分别运行单条指令：Load指令、Store指令、分支指令、寄存器ALU指令、立即数ALU指令，记录它们在流水线中的执行情况
Lw：
观察此流水线时空图，可以发现：转移指令引起的延迟仅为1 clocks，另2 stalls 是trap指令引起的，这个执行结果似与不采用forwarding技术的前提相违，只能理解为对于无条件的转移指令，新的PC值在EX阶段即已被写入。
Sw：
Beqz：
由此图可见，对于分支指令，总是用
not-taken的策略来处理，并且也认为新
的PC值也在EX阶段即已被写入，且cond
条件也在EX段被算出（这显然是一个极不合理的假设，究竟为何分支指令的延迟为1 stall有待进一步探究）
寄存器ALU指令
立即数ALU指令
2）仿真器运行一段无相关的程序，记录它的执行情况，计算流水线的加速比、吞吐率与效率。下面是一段不相关的程序，一共6条指令
ADDI R5, R5, 1
SUBI R4, R4, 1
AND R3, R3, R3
XOR R7, R7, R7
ADDI R8, R8, 1
ADDI R9, R9, 1
在WinDLX中执行的结果如下：
如上图所示：
6条指令一共执行了10个周期，而每个指令都需要5个周期来完成。故可得加速比：5*6/10=3
实际吞吐率：流水线由5段组成，完成6条指令，m=5,n=6，T=5△t+(6-1) △t=10△t，Tp=n/T=3/(5△t),即为实际吞吐率。
效率： E=1/（1+（m-1）/n）=TP*△t=3/5
3）在仿真器运行一段程序:
在用仿真器模拟前先自己手动分析出程序执行时的
相关种类与个数:
1.addi-addi关于r2的raw相关：2 stalls
2.lw-addi关于r1的raw相关：2 stalls
3.addi-sw关于r1的raw相关：2 stalls
4.addi-sub关于r2的raw相关：2 stalls
5.sub-bnez关于r4的raw相关：2 stalls
6.bnez的控制相关（always not-take）：
1 stalls（not hit）/0 stall(hit)
7.j的控制相关：1 stalls
8.trap：2 stalls
在DLX上的实际运行结果：
统计该程序在流水线中出现的各种相关个数，及其
引起的流水线暂停周期数：
可见，此执行结果与之前手动分析的结果完全相同
4）通过在流水线中设置定向路径来消除数据相关后，仅lw-addi一处会产生关于r1的raw相关，延迟为1 stall，转移指令的延迟情况不变：
一个循环的执行时间：6+1+1=8（clocks）
总执行时间：（2）+(8*2-1)+（1+1）+（1+2）=22（clocks）
总RAW相关的stall数：1*2=2（clocks）
运行程序：
有出入的原因是windlx认为
除了在lw-addi处有1 stall
的raw相关，sub-bnez处也
会有1 stall的raw相关（真
搞不懂，难道分支指令在IF 阶段开始读取寄存器的值了！），按照这种想法重新计算的结果是：
一个循环的执行时间：6+1*2+1=9（clocks）
总执行时间：2+(9*2-1)+（1+1）+（1+2）=24（clocks）
总RAW相关的stall数：2*2=4（clocks）
统计在流水线中出现的相关个数，及其引起的流水线暂停周期数：
5）通过对程序进行编译优化并结合其他相关解决方法——分支预测与延迟槽：
由于windlx默认采取了always not-taken的分支预测策略，且不支持延迟槽的概念，所以唯一可做的调度就是通过分离lw-addi和sub-bnez指令来消除raw相关，调度后的程序如下图所示：
一个循环的执行时间：6+1=7（clocks）
总执行时间：2+(7*2-1)+（1+1）+（1+2）=20
（clocks）
总RAW相关的stall数：0（clocks）
运行程序：
统计在流水线中出现的相关个数，及其引起的流水线暂停周期数
