北京邮电大学
实验报告
课程名称：高级计算机系统结构
学号：2015140454姓名：罗一皓
实验二指令流水线相关性分析
一．实验类别：
验证试验
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．实验人数：
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。
结构相关：当指令在重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，发生资源冲突时，将产生“结构相关”。
数据相关：当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠执行时，就可能引起“数据相关”。
控制相关：由条件指令引起的相关。
七．实验内容和要求：
使用WinDLX模拟器，对求阶乘程序Fact.s做分析
八．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。
数据相关：
在第24个周期时，在Clock Cycle Diagram 中有橙黄色的R-Stall，
点开之后，我们发现有
相关指令组合：
lbu r3,0x0(r2)
seqi r5,r3,0xa
控制相关：
在第4个时钟周期中，第一条命令正在MEM段，在第二条命令在intEXcellent 段，第四条命令在IF段。而第三条命令指示为“aborted”。
其原因是：在第二条命令（jal）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，但须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。
相关的指令组合：
addi r1,r0,0x1000
jal InputUnsigned
movi2fp f10,r1
sw SaveR2[r0],r2
结构相关：
在这个流水线图中可以发现
点开之后，会发现
addi r2,r2,0x1 该指令在它面前的一条指令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4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，译码部分已经被占用。故发生了结构相关。
相关指令：
add r1,r1,r3
addi r2,r2,0x1
（2）考察增加浮点运算部件对性能的影响。
N=4时，浮点运算部件均为1时：
N=4，浮点运算器都变为2时：
比较个数据，发现没有发生变化。对于该程序，指令组合涉及不到多个浮点器的结构相关。
（3）考察增加forward部件对性能的影响。
在载入fact.s和input.s之后，不设置任何断点运行。
①不采用重新定向技术，我们得到
② 采用定向技术，我们得到的结果是：
从上面的数据我们可以看出定向的作用：
增加forward 部件后的109个时钟周期比增加前的137个少了28个时钟周期。 增加forward 部件使得RAW 相关变为15个，比增加前的41个减少了26个，RAW 相关的比例从总时钟周期的29.93%减为13.76%。
增加forward 部件使得控制相关比例增加了，由原来占总时钟周期的8.03%增至10.09%。
总之，使用forward 部件后，总的时钟周期减少，数据相关减少，流水线的性能得到一定的改善。
（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。转移成功的情况：
在一条由4个流水段组成的流水线中，第I-1条指令要等到第I+2条指令进入流水线时才能形成条件码。如果形成的条件码是“转移不成功”的，则猜测正确，流水线的吞吐率和效率没有降低；如果形成的条件码是“转移成功”的，则猜测错误，必须沿下面分支方向进行。此时，首先作废流水线已经执行的第I+1，I+2条指令，然后再从分支点开始，执行第P，P+1，…各条指令。在这种情况下，每执行一条条件转移指令，一条4段流水线就有2个流水段被浪费。吞吐率下降为：
D=3pq/1+3pq
九．实验总结:
本次实验，通过模拟和分析对N的阶乘的程序，根据pipeline图和clock图和相关的数据对数据相关,结构相关,控制相关进行了逐个的分析。分析结果之后，对于老师上课讲到的内容有了更加形象化的理解，对于学习挤塑机体系结构大有帮助。
实验三 DLX处理器程序设计
一、实验目的
学习使用DLX 汇编语言编程，进一步分析相关现象。
二、实验设备环境
DLX汇编语言环境
三、实验内容和要求
自编一段汇编代码，完成一维向量加法运算，并输出结果。观察程序中出现的数据/控制/结构相关。（注：使用一维数组表示一维向量。）
四、代码清单及注释
*双精度浮点加法求和设计*
1、代码及注释
.data
;***store the vector
ReadBuffer1: .space 120 ;store vector in byte
ReadPar1: .word 0,ReadBuffer1,120
ReadBuffer2: .space 120 ;store vector in byte
ReadPar2: .word 0,ReadBuffer2,120
;***msg for output
Prompt0: .asciiz "Add two vector:\n\n"
Prompt1: .asciiz "vector1:(element seperated by space)\n"
Prompt2: .asciiz "vector2:(element seperated by space)\n"
Prompt3: .asciiz "vectorSum: "
;*** Data for Printf-Trap
PrintfFormat: .asciiz "%f " ;used to output the result
.align 4
PrintfPar: .word PrintfFormat
PrintfValue: .space 8
PrintfPar2: .space 4
.text
.global main
main:
