计算机体系结构实验报告——实验五

1实验五:数据相关1．实验目的：通过本实验，加深对数据相关的理解，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。2.实验内容：(1)在不采用定向技术的情况下（通过Configuration菜单中的EnableForwarding选项设置），用WinDLX模拟器运行程序data_d.s。(2)记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的总时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。(3)在采用定向技术的情况下，用WinDLX模拟器再次运行程序data_d.s。(4)记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的总时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。(5)根据上面记录的数据，计算采用定向技术后性能提高的倍数。3.实验程序：程序data_d.s。LHIR2,(A16)&0xFFFFADDUIR2,R2,A&0xFFFFLHIR3,(B16)&0xFFFFADDUIR3,R3,B&0xFFFFloop:LWR1,0(R2)ADDR1,R1,R3SW0(R2),R1LWR5,0(R1)ADDIR5,R5,#10ADDIR2,R2,#4SUBR4,R3,R2BNEZR4,loopTRAP#02A:.word0,4,8,12,16,20,24,28,32,36B:.word9,8,7,6,5,4,3,2,1,04.实验流程图5.实验过程当指令在流水线中重叠执行时，流水线有可能改变指令读/写操作数的顺序，使得读/写操作顺序不同于它们非流水实现的顺序，这将导致数据相关。5.1在不采用定向技术的情况下，产生数据相关的地方：1adduir2,r2,0x134需要用到lhir2,0x0的计算结果，lhi指令在wb段才将计算结果写入寄存器r2中，但是addui指令在其ID段就要从寄存器r2中读取计算结果，这就产生了数据相关。R2=A16R2=R2+AR3=B16R3=R3+BTRAP#0R1=(R2)R1=R1+R3(R2)=R1R5=(R1)R5=R5+10R2=R2+4R4=R3-R2R4=0?YN32adduir3,r3,0x15c需要用到lhir3,0x0的计算结果，lhi指令在wb段才将计算结果写入寄存器r2中，但是addui指令在其ID段就要从寄存器r3中读取计算结果，这就产生了数据相关。3adduir1,r1,r3需要用到lhir1,0x0(r2)的计算结果，lhi指令在wb段才将计算结果写入寄存器r1中，但是addui指令在其ID段就要从寄存器r2中读取计算结果，这就产生了数据相关。sw0x0(r2),r1需要用到adduir1,r1,r3的计算结果，addui指令在wb段才将计算结果写入寄存器r1中，但是sw指令在其ID段就要从寄存器r1中读取计算结果，这就再次产生了数据相关。44adduir5,r5,0xa需要用到lhir5,0x0(r1)的计算结果，lhi指令在wb段才将计算结果写入寄存器r5中，但是addui指令在其ID段就要从寄存器r5中读取计算结果，这就产生了数据相关。55subr4,r3,r2需要用到addir2,r2,0x4的计算结果，addi指令在wb段才将计算结果写入寄存器r2中，但是sub指令在其ID段就要从寄存器r2中读取计算结果，这就产生了数据相关。Bnezr4loop需要用到subr4,r3,r2的计算结果，sub指令在wb段才将计算结果写入寄存器r4中，但是Bnez指令在其ID段就要从寄存器r4中读取计算结果，这就再次产生了数据相关。65.2在不采用定向技术的情况下，数据相关引起的暂停时钟周期数为116个，而总的时钟周期数为202个，则暂停时钟周期数占总执行周期数的比例为：57.42%；5.3在采用定向技术的情况下，用定向解决数据相关引起的暂停时钟周期数：75.4在采用定向技术的情况下，数据相关引起的暂停时钟周期数为42个，而总的时钟周期数为128个，则暂停时钟周期数占总执行周期数的比例为：32.81%；5.5根据上面记录的数据，计算采用定向技术后性能提高的倍数为：57%。6.实验总结8通过本次实验，我了解到定向技术的主要思想是：在某条指令（产生一个计算结果之前，其它指令并不真正需要该计算结果，如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免暂停。从而，定向技术的要点可以归纳为：(1)寄存器文件EX/MEM中的ALU的运算结果总是回送到ALU的输入寄存器。(2)当定向硬件检测到前一个ALU运算结果的写入寄存器就是当前ALU操作的源寄存器时，那么控制逻辑将前一个ALU运算结果定向到ALU的输入端，后一个ALU操作就不必从源寄存器中读取操作数。