計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)課件

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)——

流水線篇12019-3-162019-3-16計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)——流水線篇12019-3-1620主要內(nèi)容實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)WinDLX實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)要求2ComputerArchitecture---Pipeline主要內(nèi)容實(shí)驗(yàn)?zāi)康?ComputerArchitecture實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)該模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步掌握和鞏固的流水線基本知識(shí);初步掌握在特定體系結(jié)構(gòu)下的匯編代碼的編寫(xiě)和優(yōu)化；培養(yǎng)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。3ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)該模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步掌握和鞏固的3Computer實(shí)驗(yàn)原理（1/4）流水線執(zhí)行過(guò)程4ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)原理（1/4）流水線執(zhí)行過(guò)程4ComputerArch實(shí)驗(yàn)原理（2/4）流水線中的相關(guān)問(wèn)題結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān)RAW/WAR/WAW控制相關(guān)硬件資源不夠條件分支或跳轉(zhuǎn)指令5ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)原理（2/4）流水線中的相關(guān)問(wèn)題硬件資源不夠條件分支或跳實(shí)驗(yàn)原理（3/4）定向技術(shù)在發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí)，等待前面計(jì)算結(jié)果的指令并不一定真的馬上就用到該計(jì)算結(jié)果，如果能夠?qū)⒃撚?jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其他指令需要它的地方，就可以避免暫停。循環(huán)展開(kāi)是一種犧牲程序的尺寸來(lái)加快程序的執(zhí)行速度的優(yōu)化方法?？梢杂沙绦騿T完成，也可由編譯器自動(dòng)優(yōu)化完成。循環(huán)展開(kāi)通過(guò)將循環(huán)體代碼復(fù)制多次實(shí)現(xiàn)。循環(huán)展開(kāi)能夠增大指令調(diào)度的空間，減少循環(huán)分支指令的開(kāi)銷。循環(huán)展開(kāi)可以更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)取技術(shù)。6ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)原理（3/4）定向技術(shù)6ComputerArchite實(shí)驗(yàn)原理（4/4）流水線性能評(píng)價(jià)加速比吞吐率效率7ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)原理（4/4）流水線性能評(píng)價(jià)7ComputerArch實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——WinDLX8ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——WinDLX8ComputerArchitec實(shí)驗(yàn)平臺(tái)WinDLX的使用步驟安裝配置浮點(diǎn)段配置存儲(chǔ)器配置模擬代碼載入程序推進(jìn)機(jī)器狀態(tài)的查看9ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)平臺(tái)WinDLX的使用步驟9ComputerArchiWinDLX模擬器安裝WinDLX包含windlx.exe和windlx.hlp文件。同時(shí)，還需要一些擴(kuò)展名為.s的匯編代碼文件。本次實(shí)驗(yàn)課將使用fact.s和input.s這兩個(gè)匯編代碼文件。WinDLX的安裝非常簡(jiǎn)單，只要將WinDLX1.3文件夾拷貝到一個(gè)不含中文路徑的目錄下即可，假設(shè)將其拷貝到D盤(pán)下，然后雙擊執(zhí)行里面的windlx.exe，就可進(jìn)入Windlx模擬器。10ComputerArchitecture---PipelineWinDLX模擬器安裝WinDLX包含windlx.exe和開(kāi)始和配置WinDLX為了初始化模擬器,點(diǎn)擊File菜單中的Resetall菜單項(xiàng)，彈出一個(gè)“ResetDLX”對(duì)話框。然后點(diǎn)擊窗口中的“確認(rèn)”按鈕即可。11ComputerArchitecture---Pipeline開(kāi)始和配置WinDLX為了初始化模擬器,點(diǎn)擊File菜單開(kāi)始和配置WinDLXWinDLX可以在多種配置下工作?？梢愿淖兞魉€的結(jié)構(gòu)和時(shí)間要求、存儲(chǔ)器大小和其他幾個(gè)控制模擬的參數(shù)。12ComputerArchitecture---Pipeline開(kāi)始和配置WinDLXWinDLX可以在多種配置下工作?？梢匝b載測(cè)試程序

在開(kāi)始模擬之前，至少應(yīng)裝入一個(gè)程序到主存。我們選fact.s為例，fact.s計(jì)算一個(gè)整型值的階乘；它的運(yùn)行還需要一個(gè)輔助文件input.s，

input.s中包含一個(gè)子程序，它讀標(biāo)準(zhǔn)輸入（鍵盤(pán)）并將值存入DLX處理器的通用寄存器R1中。按如下步驟操作，可將這兩個(gè)文件裝入主存。為此，選擇File/LoadCodeorData，窗口中會(huì)列出目錄中所有匯編程序。按如下步驟操作，可將這兩個(gè)文件裝入主存。

13ComputerArchitecture---Pipeline裝載測(cè)試程序在開(kāi)始模擬之前，至少應(yīng)裝入一個(gè)程序到主存。13裝載測(cè)試程序點(diǎn)擊fact.s

點(diǎn)擊select按鈕 點(diǎn)擊input.s

點(diǎn)擊select按鈕 點(diǎn)擊load按鈕選擇文件的順序很關(guān)鍵，它決定了文件在存儲(chǔ)器中出現(xiàn)的順序。對(duì)話框中會(huì)顯示信息“File(s)loadedsuccessfully.ResetDLX?”，點(diǎn)擊“是”按鈕確認(rèn)。這樣，文件就已被裝入到主存儲(chǔ)器中了。14ComputerArchitecture---Pipeline裝載測(cè)試程序點(diǎn)擊fact.s14ComputerPipeline窗口

DLX執(zhí)行指令的流水線是一個(gè)5段流水線，包括取指段（IF）、譯碼段（ID）、執(zhí)行段（EX）、訪存段（MEM）和寫(xiě)回段（WB）。15ComputerArchitecture---PipelinePipeline窗口DLX執(zhí)行指令的流水線是一個(gè)5段流水Code窗口

Code窗口顯示的內(nèi)容是兩個(gè)程序（fact.s和input.s）加載到內(nèi)存中的情況。從左到右依次為：地址(符號(hào)或數(shù)字)、命令的十六進(jìn)制機(jī)器代碼和匯編命令。16ComputerArchitecture---PipelineCode窗口Code窗口顯示的內(nèi)容是兩個(gè)程序（fact.ClockCycleDiagram窗口

它顯示流水線的時(shí)空?qǐng)D。17ComputerArchitecture---PipelineClockCycleDiagram窗口它顯示流水線的ClockCycleDiagram窗口在Clockcyclediagram窗口中，有時(shí)候還可以看到在指令之間出現(xiàn)了紅和綠的箭頭。紅色箭頭表示需要一個(gè)暫停，箭頭指向處顯示了暫停的原因。R-Stall（R-暫停）表示引起暫停的原因是RAW。綠色箭頭表示定向技術(shù)的使用。18ComputerArchitecture---PipelineClockCycleDiagram窗口在ClockcBreakpoint窗口

當(dāng)重復(fù)按F7執(zhí)行代碼很枯燥時(shí)，我們可以通過(guò)設(shè)置斷點(diǎn)來(lái)加快此過(guò)程。該窗口詳細(xì)的顯示了我們?cè)O(shè)置的斷點(diǎn)的信息。19ComputerArchitecture---PipelineBreakpoint窗口當(dāng)重復(fù)按F7執(zhí)行代碼很枯燥時(shí)，我們Register窗口DLX的全部寄存器及其內(nèi)容。20ComputerArchitecture---PipelineRegister窗口DLX的全部寄存器及其內(nèi)容。20CompStatistics窗口

Statistics窗口提供各個(gè)方面的信息：模擬中硬件配置情況、暫停及原因、條件分支、Load/Store指令、浮點(diǎn)指令和traps。窗口中給出事件發(fā)生的次數(shù)和百分比，如RAWstalls：17(7.91%ofallCycles)。21ComputerArchitecture---PipelineStatistics窗口Statistics窗口提供各個(gè)DLX的匯編語(yǔ)法DLX的匯編語(yǔ)法（1/2）偽指令.data[address].text[address].globallabel.wordword1,word2,….spacesize.double常數(shù)、運(yùn)算符…………指令訪存類、寄存器操作、算術(shù)類、邏輯類、控制流轉(zhuǎn)移WinDLX的Trap機(jī)制一般地，指令（code）均被導(dǎo)入$CODE（起始地址為0x100）而數(shù)據(jù)（data）則被導(dǎo)入$DATA（起始地址為0x1000）22ComputerArchitecture---PipelineDLX的匯編語(yǔ)法DLX的匯編語(yǔ)法（1/2）一般地，指令（coDLX匯編的例子DLX的匯編語(yǔ)法（2/2）例子

.data adder1: .word 7 adder2: .word 16 result: .space 4 .text .globalmain main: lw r2,adder1 lw r3,adder2 add r1,r2,r3 sw result,r1

trap 0 ;finish23ComputerArchitecture---PipelineDLX匯編的例子DLX的匯編語(yǔ)法（2/2）23Compute實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1/2）3×3矩陣乘法編寫(xiě)矩陣積源程序；手工優(yōu)化。例如：在流水線各種資源配置下觀察程序運(yùn)行狀態(tài)。lwr3,adder1addr1,r2,r3addr5,r6,r7lwr3,adder1addr5,r6,r7addr1,r2,r324ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1/2）3×3矩陣乘法lwr3,adder1l實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（2/2）觀察程序中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)/控制/結(jié)構(gòu)相關(guān)，指出導(dǎo)致上述現(xiàn)象的指令組合考察增加定向（forwarding）部件對(duì)性能的影響觀察轉(zhuǎn)移指令在轉(zhuǎn)移成功和轉(zhuǎn)移不成功時(shí)候的流水線開(kāi)銷手工優(yōu)化程序（沒(méi)有分支延遲槽）分析程序的吞吐率、加速比和效率25ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（2/2）觀察程序中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)/控制/結(jié)構(gòu)相關(guān)，指出實(shí)驗(yàn)步驟學(xué)習(xí)WinDLX軟件使用；學(xué)習(xí)DLX匯編程序的編寫(xiě)；編寫(xiě)3×3矩陣乘法匯編源程序；將程序在WinDLX上運(yùn)行調(diào)試；觀察程序中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)/控制/結(jié)構(gòu)相關(guān)；優(yōu)化代碼（在有定向功能和無(wú)定向功能兩種情況下），盡量消除相關(guān)引起的暫停；對(duì)優(yōu)化后的代碼重新模擬，并觀察優(yōu)化效果；分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。26ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)步驟學(xué)習(xí)WinDLX軟件使用；26ComputerAr實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求包括：程序源代碼實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)分析、優(yōu)化過(guò)程、性能分析簡(jiǎn)單談?wù)勛约簩?duì)流水線技術(shù)的認(rèn)識(shí)提交形式:實(shí)驗(yàn)源代碼+實(shí)驗(yàn)報(bào)告（Word編輯）文件夾命名格式：學(xué)號(hào)1_姓名1（例如：04060006_鄧明堂）27ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求包括：27ComputerArchit檢查方式查看代碼查看運(yùn)行解釋各種相關(guān)發(fā)生的情況及優(yōu)化手段查看統(tǒng)計(jì)信息28ComputerArchitecture---Pipeline檢查方式查看代碼28ComputerArchitectur謝謝292019-3-162019-3-16謝謝292019-3-162019-3-16計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)——

流水線篇302019-3-162019-3-16計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)——流水線篇12019-3-1620主要內(nèi)容實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)WinDLX實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)要求31ComputerArchitecture---Pipeline主要內(nèi)容實(shí)驗(yàn)?zāi)康?ComputerArchitecture實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)該模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步掌握和鞏固的流水線基本知識(shí);初步掌握在特定體系結(jié)構(gòu)下的匯編代碼的編寫(xiě)和優(yōu)化；培養(yǎng)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。32ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)該模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步掌握和鞏固的3Computer實(shí)驗(yàn)原理（1/4）流水線執(zhí)行過(guò)程33ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)原理（1/4）流水線執(zhí)行過(guò)程4ComputerArch實(shí)驗(yàn)原理（2/4）流水線中的相關(guān)問(wèn)題結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān)RAW/WAR/WAW控制相關(guān)硬件資源不夠條件分支或跳轉(zhuǎn)指令34ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)原理（2/4）流水線中的相關(guān)問(wèn)題硬件資源不夠條件分支或跳實(shí)驗(yàn)原理（3/4）定向技術(shù)在發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí)，等待前面計(jì)算結(jié)果的指令并不一定真的馬上就用到該計(jì)算結(jié)果，如果能夠?qū)⒃撚?jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其他指令需要它的地方，就可以避免暫停。循環(huán)展開(kāi)是一種犧牲程序的尺寸來(lái)加快程序的執(zhí)行速度的優(yōu)化方法?？梢杂沙绦騿T完成，也可由編譯器自動(dòng)優(yōu)化完成。循環(huán)展開(kāi)通過(guò)將循環(huán)體代碼復(fù)制多次實(shí)現(xiàn)。循環(huán)展開(kāi)能夠增大指令調(diào)度的空間，減少循環(huán)分支指令的開(kāi)銷。循環(huán)展開(kāi)可以更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)取技術(shù)。35ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)原理（3/4）定向技術(shù)6ComputerArchite實(shí)驗(yàn)原理（4/4）流水線性能評(píng)價(jià)加速比吞吐率效率36ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)原理（4/4）流水線性能評(píng)價(jià)7ComputerArch實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——WinDLX37ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——WinDLX8ComputerArchitec實(shí)驗(yàn)平臺(tái)WinDLX的使用步驟安裝配置浮點(diǎn)段配置存儲(chǔ)器配置模擬代碼載入程序推進(jìn)機(jī)器狀態(tài)的查看38ComputerArchitecture---Pipeline實(shí)驗(yàn)平臺(tái)WinDLX的使用步驟9ComputerArchiWinDLX模擬器安裝WinDLX包含windlx.exe和windlx.hlp文件。同時(shí)，還需要一些擴(kuò)展名為.s的匯編代碼文件。本次實(shí)驗(yàn)課將使用fact.s和input.s這兩個(gè)匯編代碼文件。WinDLX的安裝非常簡(jiǎn)單，只要將WinDLX1.3文件夾拷貝到一個(gè)不含中文路徑的目錄下即可，假設(shè)將其拷貝到D盤(pán)下，然后雙擊執(zhí)行里面的windlx.exe，就可進(jìn)入Windlx模擬器。39ComputerArchitecture---PipelineWinDLX模擬器安裝WinDLX包含windlx.exe和開(kāi)始和配置WinDLX為了初始化模擬器,點(diǎn)擊File菜單中的Resetall菜單項(xiàng)，彈出一個(gè)“ResetDLX”對(duì)話框。然后點(diǎn)擊窗口中的“確認(rèn)”按鈕即可。40ComputerArchitecture---Pipeline開(kāi)始和配置WinDLX為了初始化模擬器,點(diǎn)擊File菜單開(kāi)始和配置WinDLXWinDLX可以在多種配置下工作。可以改變流水線的結(jié)構(gòu)和時(shí)間要求、存儲(chǔ)器大小和其他幾個(gè)控制模擬的參數(shù)。41ComputerArchitecture---Pipeline開(kāi)始和配置WinDLXWinDLX可以在多種配置下工作?？梢匝b載測(cè)試程序

在開(kāi)始模擬之前，至少應(yīng)裝入一個(gè)程序到主存。我們選fact.s為例，fact.s計(jì)算一個(gè)整型值的階乘；它的運(yùn)行還需要一個(gè)輔助文件input.s，

input.s中包含一個(gè)子程序，它讀標(biāo)準(zhǔn)輸入（鍵盤(pán)）并將值存入DLX處理器的通用寄存器R1中。按如下步驟操作，可將這兩個(gè)文件裝入主存。為此，選擇File/LoadCodeorData，窗口中會(huì)列出目錄中所有匯編程序。按如下步驟操作，可將這兩個(gè)文件裝入主存。

42ComputerArchitecture---Pipeline裝載測(cè)試程序在開(kāi)始模擬之前，至少應(yīng)裝入一個(gè)程序到主存。13裝載測(cè)試程序點(diǎn)擊fact.s

點(diǎn)擊select按鈕 點(diǎn)擊input.s

點(diǎn)擊select按鈕 點(diǎn)擊load按鈕選擇文件的順序很關(guān)鍵，它決定了文件在存儲(chǔ)器中出現(xiàn)的順序。對(duì)話框中會(huì)顯示信息“File(s)loadedsuccessfully.ResetDLX?”，點(diǎn)擊“是”按鈕確認(rèn)。這樣，文件就已被裝入到主存儲(chǔ)器中了。43ComputerArchitecture---Pipeline裝載測(cè)試程序點(diǎn)擊fact.s14ComputerPipeline窗口

DLX執(zhí)行指令的流水線是一個(gè)5段流水線，包括取指段（IF）、譯碼段（ID）、執(zhí)行段（EX）、訪存段（MEM）和寫(xiě)回段（WB）。44ComputerArchitecture---PipelinePipeline窗口DLX執(zhí)行指令的流水線是一個(gè)5段流水Code窗口

Code窗口顯示的內(nèi)容是兩個(gè)程序（fact.s和input.s）加載到內(nèi)存中的情況。從左到右依次為：地址(符號(hào)或數(shù)字)、命令的十六進(jìn)制機(jī)器代碼和匯編命令。45ComputerArchitecture---PipelineCode窗口Code窗口顯示的內(nèi)容是兩個(gè)程序（fact.ClockCycleDiagram窗口

它顯示流水線的時(shí)空?qǐng)D。46ComputerArchitecture---PipelineClockCycleDiagram窗口它顯示流水線的ClockCycleDiagram窗口在Clockcyclediagram窗口中，有時(shí)候還可以看到在指令之間出現(xiàn)了紅和綠的箭頭。紅色箭頭表示需要一個(gè)暫停，箭頭指向處顯示了暫停的原因。R-Stall（R-暫停）表示引起暫停的原因是RAW。綠色箭頭表示定向技術(shù)的使用。47ComputerArchitecture---PipelineClockCycleDiagram窗口在ClockcBreakpoint窗口

當(dāng)重復(fù)按F7執(zhí)行代碼很枯燥時(shí)，我們可以通過(guò)設(shè)置斷點(diǎn)來(lái)加快此過(guò)程。該窗口詳細(xì)的顯示了我們?cè)O(shè)置的斷點(diǎn)的信息。48ComputerArchitecture---PipelineBreakpoint窗口當(dāng)重復(fù)按F7執(zhí)行代碼很枯燥時(shí)，我們Register窗口DLX的全部寄存器及其內(nèi)容。49ComputerArchitecture---PipelineRegister窗口DLX的全部寄存器及其內(nèi)容。20CompStatistics窗口

Statistics窗口提供各個(gè)方面的信息：模擬中硬件配置情況、暫停及原因、條件分支、Load/Store指令、浮點(diǎn)指令和traps。窗口中給出事件發(fā)生的次數(shù)和百分比，如RAWstalls：17(7.91%ofallCycles)。50ComputerArchitecture---PipelineStatistics窗口Statistics窗口提供各個(gè)DLX的匯編語(yǔ)法DLX的匯編語(yǔ)法（1/2）偽指令.data[address].text[address].globallabel.wordword1,word2,….spacesize.double常數(shù)、運(yùn)算符…………指令訪存類、寄存器操作、算術(shù)類、邏輯類、控制流轉(zhuǎn)移WinDLX的Trap機(jī)制一般地，指令（code）均被導(dǎo)入$CODE（起始地址為0x100）而數(shù)據(jù)（data）則被導(dǎo)入$DATA（起始地址為0x1000）51ComputerArchitecture---PipelineDLX的匯編語(yǔ)法DLX的匯編語(yǔ)法（1/2）一般地，指令（coDLX匯編的例子DLX的匯編語(yǔ)法（2/2）例子

.data adder1: .word 7 adder2: .word 16 result: .space 4 .text .globalmain main: lw r2,adder1 lw r3,adder2 add r1,r2,r3 sw result,r1

trap 0 ;finish52ComputerArchitecture---PipelineDLX匯編的例子DLX的匯編語(yǔ)法（2/2）23Compute實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1/2）3×3矩