西安交大計算機系統(tǒng)結構實驗報告

1、計算機系統(tǒng)結構課內實驗實驗報告第一次實驗：記分牌算法和Tomasulo算法第二次實驗：cache性能分析班級：物聯(lián)網21姓名：李偉東學號：2120509011日期：2015.5.21第一次實驗：記分牌算法和Tomasulo算法一、實驗目的及要求1. 掌握DLXview模擬器的使用方法；2. 進一步理解指令動態(tài)調度的基本思想，了解指令動態(tài)調度的基本過程與方法；3. 理解記分牌算法和Tomasulo算法的基本思想，了解它們的基本結構、運行過程；4. 比較分析基本流水線與記分牌算法和Tomasulo算法的性能及優(yōu)缺點。二、實驗環(huán)境DLXview模擬器三、實驗內容1. 用DLX匯編語言編寫代碼文件*.

2、s（程序中應包括指令的數(shù)據(jù)相關、控制相關以及結構相關），以及相關的初始化寄存器文件*.i和數(shù)據(jù)文件*.d；2. 觀察程序中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)相關、控制相關、結構相關，并指出三種相關的指令組合；四、實驗步驟將自己編寫的程序*.s、*.i、*.d裝載到DLXview模擬器上， （1） 分別用基本流水線、記分牌算法和Tomasulo算法模擬，針對每一種模擬做如下分析： 統(tǒng)計程序的執(zhí)行周期數(shù)和流水線中的暫停時鐘周期數(shù)； 改變功能部件數(shù)目重新模擬，觀察并記錄性能的改變； 改變功能部件延遲重新模擬，觀察并記錄性能的改變；論述功能部件數(shù)目、功能部件延遲對性能的影響。（2） 記錄運行記分牌算法時的功能部件狀態(tài)表和指令

3、狀態(tài)表；（3） 記錄運行Tomasulo算法時的指令狀態(tài)表和保留站信息；五、實驗結果1）基本流水線原始即加法延遲2，乘法延遲5，實驗結果顯示該段程序運行了11個時鐘周期增加了一個除法器。加法器延遲2，乘法器延遲5，除法器延遲19。實驗結果顯示該段程序運行了11個時鐘周期。增加除法器對程序的執(zhí)行無影響。加法器延遲2，乘法器延遲6，無除法器。實驗結果顯示該段程序運行了12個時鐘周期乘法器的延遲對程序執(zhí)行有有影響。加法器延遲1，乘法器延遲5。實驗結果顯示該段程序運行了11個時鐘周期。整個實驗結果表明增加功能部件的數(shù)目對程序的執(zhí)行效率基本沒有影響。改變加法器的延遲時間對程序的執(zhí)行效率也沒有影響，乘法器

4、的延遲時間對程序的執(zhí)行效率有影響（2）Tomsulo算法整數(shù)保留站：1 延遲：1加法器保留站：2 延遲：2乘法器保留站：2 延遲：5整數(shù)保留站：2 延遲：1加法器保留站：2 延遲：2乘法器保留站：2 延遲：5增加整數(shù)保留站的數(shù)目加快了程序的執(zhí)行。整數(shù)保留站：1 延遲：1加法器保留站：2 延遲：2乘法器保留站：2 延遲：6整數(shù)保留站：1 延遲：1加法器保留站：2 延遲：2乘法器保留站：2 延遲：10增加乘法保留站的延遲時間對程序的執(zhí)行沒有影響整數(shù)保留站：1 延遲：1加法器保留站：2 延遲：1乘法器保留站：2 延遲：5整數(shù)保留站：1 延遲：1加法器保留站：2 延遲：2乘法器保留站：2 延遲：5除法

5、保留站：1 延遲：19整數(shù)保留站：1 延遲：1加法器保留站：2 延遲：1乘法器保留站：2 延遲：3除法保留站：1 延遲：10整數(shù)保留站：1 延遲：1加法器保留站：2 延遲：3乘法器保留站：2 延遲：7除法保留站：1 延遲：26（1） 通過實驗改變保留站的數(shù)目發(fā)現(xiàn)改變加法器或者乘法器或者除法器保留站的數(shù)目，程序的執(zhí)行效率不變，但改變增加整數(shù)保留站的數(shù)目能加快程序的執(zhí)行。（2） 通過實驗改變保留站的延遲時間發(fā)現(xiàn)改變加法器或者乘法器或者除法器保留站的延遲時間，程序的執(zhí)行效率不變，但改變增加整數(shù)保留站的延遲時間能使程序的執(zhí)行變慢 。六、總結Tomasulo算法的基本思想：只要操作數(shù)有效，就將其取到保留

6、站，避免指令流出時才到寄存器中取數(shù)據(jù)，這就使得即將執(zhí)行的指令從相應的保留站中取得操作數(shù)，而不是從寄存器中。指令的執(zhí)行結果也是直接送到等待數(shù)據(jù)的其它保留站中去。因而，對于連續(xù)的寄存器寫，只有最后一個才真正更新寄存器中的內容。一條指令流出時，存放操作數(shù)的寄存器名被換成為對應于該寄存器保留站的名稱（編號）。通過這次試驗使我對Tomasulo算法的理解又加深了一步。 第二次實驗：cache性能分析一、實驗目的及要求通過實驗理解Cache容量，Cache塊大小，相聯(lián)度，替換算法對cache的性能影響。二、實驗環(huán)境Vmware虛擬機，ubantu 操作系統(tǒng)，sim-cache模擬器三、實驗內容使用sim-

7、cache模擬器運行simplescarlar目錄下的自帶測試程序，在每個程序運行前修改相應的cache配置參數(shù)（sets數(shù)量，塊大小，相聯(lián)度，塊替換策略，每次改變一個參數(shù)，其余參數(shù)保持不變），觀察運行后的失效率的變化，并記錄運行結果并進行分析(一級數(shù)據(jù)cache dl1的容量配置)。四、實驗步驟1.運行sim-cache模擬器，統(tǒng)計默認 Cache設置運行程序的總失效次數(shù)、容量失效與沖突失效次數(shù)，強制性失效次數(shù)三種不同種類的失效次數(shù)；2.改變 Cache容量(*2,*4,*8,*64)，統(tǒng)計各種失效的次數(shù)，并分析 Cache容量對 Cache 性能的影響；3.改變 Cache 的相

8、聯(lián)度（1 路，2 路，4 路，8 路，64 路），運行程序（指明所選的測試程序），統(tǒng)計各種失效的次數(shù)，并分析相聯(lián)度對Cache性能的影響；4.改變 Cache塊大小(*2,*4,*8,*64) ，統(tǒng)計各種失效的次數(shù)，并分析 Cache塊大小對 Cache性能的影響；5.分別采用 LRU 與隨機法，在不同的Cache容量、不同的相聯(lián)度下，運行程序，統(tǒng)計 Cache總失效次數(shù)，計算失效率。分析不同的替換算法對 Cache性能的影響；6總結Cache失效及其代價。五、實驗結果1. 統(tǒng)計默認 Cache設置運行程序（32個組，Cache塊大小為32個byte，相聯(lián)度為2，替換策略為LRU）的總失效次數(shù)

9、、容量失效與沖突失效次數(shù)，強制性失效次數(shù)總失效次數(shù)總的失效率容量失效與沖突失效次數(shù)強制性失效次數(shù)13950.02431331642. 改變 Cache容量(*2,*4,*8,*64)，統(tǒng)計各種失效的次數(shù)，并分析 Cache容量對 Cache 性能的影響；Cache容量*2Cache容量*4Cache容量*8Cache容量*64cache容量總的失效次數(shù)總的失效率容量失效和沖突失效總次數(shù)強制性失效次數(shù)32KB13950.024313316464KB8400.0146712128128KB6690.0116413256256KB5580.00971244342048KB5420.00940542從

10、上表得出，隨著cache容量的不斷增加，程序的失效率不斷降低。容量失效和沖突失效的次數(shù)隨著cache容量的增加不斷地減少，而強制性失效次數(shù)則不斷地增加。3. 改變 Cache 的相聯(lián)度（1 路，2 路，4 路，8 路，64 路），運行程序（指明所選的測試程序），統(tǒng)計各種失效的次數(shù)，并分析相聯(lián)度對Cache性能的影響；Cache 的相聯(lián)度1路，Cache 的相聯(lián)度2 路，Cache 的相聯(lián)度4 路，Cache 的相聯(lián)度8 路，Cache 的相聯(lián)度64 路，Cache相聯(lián)度總的失效次數(shù)容量失效和沖突失效總次數(shù)強制性失效次數(shù)1路410340713227175891288路5

11、7531925664路5420542從上表得出，隨著相聯(lián)度的增加，總的失效次數(shù)減小，程序的失效率逐漸降低，但降低的幅度比較小。容量失效和沖突失效的次數(shù)隨著相聯(lián)度的增加不斷地減少，而強制性的失效次數(shù)則不斷地增加。4. 改變 Cache塊大小(*2,*4,*8,*64) ，統(tǒng)計各種失效的次數(shù)，并分析 Cache塊大小對 Cache性能的影響；Cache塊大小64KBCache塊大小128KBCache塊大小256KBCache塊大小2048KBCache塊大小總的失效次數(shù)容量失效和沖突失效總次數(shù)強制性失效次數(shù)32KB139513316464KB73366964128KB101256KB101204

12、8KB101從上表得出，隨著塊大小的增加，總的失效次數(shù)不斷降低，容量失效和沖突失效的次數(shù)也不斷降低，強制性的失效次數(shù)也不斷地降低，且幅度都比較大。5. 分別采用 LRU 與隨機法，在不同的Cache容量、不同的相聯(lián)度下，運行程序，統(tǒng)計 Cache總失效次數(shù)，計算失效率。分析不同的替換算法對 Cache性能的影響；隨機法，cache容量32KB，2路相聯(lián)隨機法，cache容量64KB，2路相聯(lián)隨機法，cache容量128KB，2路相聯(lián)隨機法，cache容量256KB，2路相聯(lián)隨機法，cache容量32KB，1路相聯(lián)隨機法，cache容量32KB，4路相聯(lián)隨機法，cache容量32KB，8路相聯(lián)隨

13、機法，cache容量32KB，64路相聯(lián)替換策略Cache容量相聯(lián)度總的失效次數(shù)容量失效和沖突失效總次數(shù)強制性失效的次數(shù)LRU32KB2路1395133164隨機法32KB2路1443137964LRU64KB2路840712128隨機法64KB2路894768126LRU128KB2路669413256隨機法128KB2路697458239LRU256KB2路558124434隨機法256KB2路585219366LRU32KB1路4103407132隨機法32KB1路4103407132LRU32KB4路717589128隨機法32KB4路803675128LRU32KB8路575319256隨機法32KB8路617388227LRU32KB64路5420542隨機法32KB64路55062488從上表我們可以分析得出，最近最少使用策略（LRU）相對較好，比隨機法總的失效次數(shù)少，容量失效和沖突失效次數(shù)比隨機法少，但強制性失效次數(shù)比使用隨機法替換策略多。6. 總結Cache失效及其代價。從Cache容量，Cache塊大小，相聯(lián)度，替換算法等方面能改善cache的性能。隨著