计算机体系结构实验讲义

本科教学实验讲义 （实验）课程名称 计算机体系结构 学 院（部、中心）： 信息学院 执 笔 人（签字）: 唐 斌 审 核 人（签字）： 编 写 时 间： 2016.7.9 贵州财经大学教务处印制 年 月 日 实验一 流水线技术 一、实验目的 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。 5. 加深对指令调度和延迟分支技术的理解； 6. 熟练掌握用指令调度技术来解决流水线中的数据冲突的方法； 7. 进一步理解指令调度技术和延迟分支技术对CPU性能的改进。 二、实验平台 模拟器MIPSsim、 计算机 三、实验内容和步骤 1、流水线工作原理 a. 启动MIPSsim。 b. 勾选配置菜单中的“流水方式”，使模拟器工作于流水方式下。 c．观察程序在流水线中的执行情况，步骤如下： (1) 用MIPSsim的“文件”菜单中的“载入程序”来加载pipeline.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）； (2) 关闭定向功能。这是通过在“配置”菜单中去选“定向”（即使得该项前面没有“√”号）来实现的； (3) 用单步执行一周期的方式（“执行”菜单中，或用F7）执行该程序，观察每一周期中，各段流水寄存器内容的变化、指令的执行情况（代码窗口）以及时钟周期图； (4) 当执行到第10个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是： IF： ID： EX： MEM： WB： 画出这时的时钟周期图。 (5). 这时各流水寄存器中的内容为： IF/ID.IR： IF/ID.NPC： ID/EX.A： ID/EX.B： ID/EX.Imm： ID/EX.IR： EX/MEM.ALUo： EX/MEM.IR： MEM/WB.LMD： MEM/WB.ALUo： MEM/WB.IR： 2、流水线中的冲突 a. 启动MIPSsim。 b. 观察和分析结构冲突对CPU性能的影响，步骤如下： （1）加载structure_hz.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）； （2）执行该程序，找出存在结构冲突的指令对以及导致结构冲突的部件； (3) 记录由结构冲突引起的停顿时钟周期数，计算停顿时钟周期数占总执行周期数 的百分比； （4）把浮点加法器的个数改为6个； （5）再次重复上述（1）～（3）的工作； （6）分析结构冲突对CPU性能的影响，讨论解决结构冲突的方法。 c. 观察数据冲突并用定向技术来减少停顿，步骤如下： （1）把浮点加法器的个数改为1个； （2）加载data_hz.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）； （3）关闭定向功能。这是通过在“配置”菜单中去选“定向” （4）用单步执行一个周期的方式（F7）执行该程序，同时查看时钟周期图，列出 在什么时刻发生了RAW（先写后读）冲突； （5） 记录数据冲突引起的停顿时钟周期数以及程序执行的总时钟周期数，计算停 顿时钟周期数占总执行周期数的百分比； （6）复位CPU； （7）打开定向功能。这是通过在“配置”菜单中勾选“定向” （8）用单步执行一周期的方式（F7）执行该程序，同时查看时钟周期图，列出在 什么时刻发生了RAW（先写后读）冲突，并与（3）的结果进行比较； （9） 记录数据冲突引起的停顿时钟周期数以及程序执行的总时钟周期数。计算采 用定向技术后性能提高的倍数。 3. 指令调度 a. 启动MIPSsim。 b. 勾选配置菜单中的“流水方式”，使模拟器工作于流水方式下。 c. 用指令调度技术解决流水线中的结构冲突与数据冲突。 （1） 加法﹑乘法﹑除法部件的个数设置为两个，延迟时间都设置为3个时钟周期； （2） 加载schedule.asm关闭定向功能。 （3） 执行载入的程序，查看统计数据和时钟周期图，找出并记录程序执行过程中各种冲突发生的次数、发生冲突的指令组合，以及程序执行的总时钟周期数； （4） 采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除冲突。将调度后的程序放到after-schedule.asm中； （5） 载入after-schedule.asm； （6） 执行该程序，观察程序在流水线中的执行情况，记录程序执行的总时钟周期数； （7） 根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。论述指令调度对于提高CPU性能的作用。 4. 用延迟分支减少分支指令对性能的影响。 a. 启动MIPSsim； b. .载入branch.asm，关闭延迟分支功能。 （1） 执行该程序，观察并记录发生分支延迟的时刻，保存下其时钟周期图（可用拷屏的方法）； （2） 记录执行该程序所花的总时钟周期数； （3） 假设延迟槽为一个，对branch.asm进行指令调度，然后存到delayed-branch.asm中； （4） 载入delayed-branch.asm； （5） 打开延迟分支功能； （6） 执行该程序，观察其时钟周期图，保存下其时钟周期图； （7） 记录执行该程序所花的总时钟周期数； （8） 对比上述两种情况下的时钟周期图； （9） 根据记录结果，比较没采用延迟分支和采用了延迟分支的性能。论述延迟分支对于提高CPU性能的作用。 实验二 指令级并行及其开发 一、实验目的 1. 加深对循环级并行性、循环展开技术和寄存器换名技术的理解。 2. 了解循环展开、指令调度等技术对CPU性能的改进。 3. 理解Tomasulo算法原理。 4. 加深动态调度技术的理解。 二、实验平台 winMIPS64模拟器、Tomasulo算法模拟器、计算机。 三、实验内容和步骤 1、 用循环展开、寄存器换名以及指令调度提高性能 （1）用MIPS汇编语言自己编写代码文件*.s，程序中包含一个循环次数为4的整数倍的 简单循环。 （2） 启动winMIPS64并加载和运行该程序。记录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。 （3） 将循环展开3次，将4个循环体组成的代码代替原来的循环体，并对程序做相应的 修改。然后对新的循环体进行寄存器换名和指令调度。 （4） 用winMIPS64运行修改后的程序，记录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。 （5）根据记录结果，比较循环展开、指令调度前后的性能。 2、Tomasulo算法 启动omasulo算法模拟器，设置浮点