Tomasulo算法实验报告x
时间:2020-11-17 13:36:27 来源:勤学考试网 本文已影响 人
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高级计算机系统结构
Tomasulo算法实验报告
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Tomasulo 算法实验
一、实验目的
1)加深对指令集并行性及开发的理解。
2)加深对 Tomasulo算法的理解。
.
3)掌握 Tomulo 算法在指令流出、执行、写结果各阶段对浮点操作指令以及 load 和 store 指令进行什么处理。
4)掌握采用了 Tomasulo 算法的浮点处理部件的结构。
5)掌握保留站的结构。
6)给定被执行代码片段,对于具体某个时钟周期,能够写出保留站、指令状态表以及浮点寄存器状态表内容的变化情况。
二、实验平台
采用 Tomasulo算法模拟器。
Tomasulo 算法基本思想:记录和检测指令相关,操作数一旦就绪就立即执
行,把发生 RAW 冲突的可能性减少到最小;通过寄存器换名来消除 WAR 冲突
和 WAW 冲突。
三、实验内容和步骤
实验一
( 1)学会使用 Tomasulo算法。假设浮点功能部件的延迟时间为加减法
2 个周期,
乘法 10 个时钟周期,除法
40 个时钟周期, load 部件 2 个时钟周期。
① 对于下面的代码段,给出当指令
MUL.D 写结果时,保留站、 load 缓冲
器以及寄存器状态表中的内容。
L.D
F6, 24(R2)
L.D
F2, 12(R3)
MUL.D
F0, F2,F4
SUB.D
F8,F6,F2
DIV.D
F10,F0,F6
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ADD.D F6,F8,F2
②按步进方式执行上述代码,利用模拟器的 “小三角按钮 ”的对比显示功能,
观察每一个时钟周期前后各信息表中内容的变化情况。
( 2)对与上面相同的延迟时间和代码段。
①给出在第 3 个时钟周期时,保留站、 load 缓冲器以及寄存器状态表中的内
容。
②步进 5 个时钟周期,给出这时保留站、 load 缓冲器以及寄存器状态表中的
内容。
③再步进 10 个时钟周期,给出这时保留站、 load 缓冲器以及寄存器状态表中
的内容。
实验二
假设浮点功能部件的延迟时间为加减法 3 个时钟周期,乘法 8 个时钟周期,
除法 40 个时钟周期。对于下面的代码重复实验一中步骤(
2)的内容。编写代码
如下:
L.D
F6, 28(R2)
ADD.D
F2,F4,F8
MUL.D
F0, F2,F4
SUB.D
F8,F6,F2
DIV.D
F12,F0,F6
ADD.D
F10,F8,F2
四、实验结果及分析
说明: R[X] 表示寄存器 X 的内容, M[y] 表示存储器存储单元 y 的内容:
实验一 实验二
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实验一结果
浮点功能部件的延迟时间为加减法 2 个周期,乘法 10 个时钟周期,除法 40 个时钟周期, load 部件 2 个时钟周期,根据实验结果可知程序全部执行完需要
个时钟周期。
当指令 MUL.D 写结果时,保留站、 load 缓冲器以及寄存器状态表中的内容。根据实验结果得出 MUL.D 写结果时是第 16 个周期,此时各部件的状态如下
所示:
① 其指令执行状态如下:
②其保留站内容如下:
分析:此时 SUB.D、ADD.D和 MULt1已经执行完毕,所以 Busy 状态为“ no”,
而 DIV.D 还未执行完,所以保留站 Mult2 仍处于忙碌状态。
③ load 缓冲器内容 :
分析:此时 Loda 缓冲器处于闲置状态, 因为只有前两条指令需要计算地址,
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而前两条指令在第 5 个周期时已经执行完, 所以指导程序运行完的所有周期中该
部件都是处于闲置状态的。
④寄存器内容:
2)第 3 个时钟周期时,保留站、 load 缓冲器以及寄存器状态表中的内容。
①指令状态
②保留站内容
分析:第 3 个时钟周期时 MULT.D 指令流出,所以保留站的 Mult1 处于忙碌状态。
load 缓冲器内容 :
分析:第 3 个时钟周期时前两条去操作数的指令还为执行完,所以 load 缓
冲器的前两个缓冲器处于忙状态。
④寄存器
3)步进 5 个时钟周期,给出这时保留站、 load 缓冲器以及寄存器状态表中的内容。
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步进 5 个时钟周期后,是程序执行的第 8 个周期,此时各部件的状态如下:
①指令状态(此时 SUB.D 指令恰好执行完成)
②保留站内容
分析:第 8 个周期时 L.D 和 SUB.D 三条指令执行完毕,其余三条未完成,所以保留站中仍有其他三条的信息。
load 缓冲器内容 :
④寄存器内容
4)再步进 10 个时钟周期, 这时处于执行周期的第 18 个周期,这时保留站、 load
缓冲器以及寄存器状态表中的内容:
①指令状态
分析:第 18 个周期时只剩下 DIV .D 指令未执行完,并且此时正处于执行的
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等待阶段。
②保留站
分析:此时其余指令全部执行完毕, 只有 DIV.D 还未执行完, 所以只有保留
站 Mult2 仍处于忙碌状态。
③ Load 缓冲器
④寄存器
实验二结果
浮点功能部件的延迟时间为加减法 3 个周期,乘法 8 个时钟周期,除法 40 个时钟周期, load 部件 2 个时钟周期。根据实验结果可知该程序需要 56 个周期执行完成。(分析与实验一类似,不再赘述)
(1)第 3 个时钟周期时,保留站、 load 缓冲器以及寄存器状态表中的内容。
①指令状态
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②保留站
load 缓冲器内容 :
④寄存器内容
( 2)步进 5 个时钟周期,给出这时保留站、 load 缓冲器以及寄存器状态表中的内容。
①指令状态:
②保留站内容:
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③ Load 部件内容:
④寄存器部件内容:
3)再步进 10 个时钟周期,给出这时保留站、 load 缓冲器以及寄存器状态表中的内容。
①指令状态:
②保留站内容:
③ Load 部件内容:
④寄存器部件内容:
五、实验总结
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1.对并行性的理解
流水线使指令重叠并行执行, 可以达到提高性能的目的, 如果指令间没有相关性,可以并行执行, 例如程序中前两个指令的流出和执行阶段, 第二周期时第二条 LOAD.D 的流出和第一条 LOAD.D 的执行同时进行,从而提高了指令执行的效率。但是由于程序之间的相互依赖性, 使得流水线中指令流的下一条指令不能在指定的时钟周期执行, 这就是流水线冲突。
因此为了更好的使程序的运行按
时完成,我们必须采取相应的措施解决流水线相关引起的问题,而 Tomasulo 算法就是解决该问题的方法之一。
2、对 Tomasulo算法的理解
Tomasulo算法的核心思想是:①记录和检测指令相关,操作数一旦就绪就
立即执行,把发生 RAW 冲突的可能性减少到最小;②通过寄存器换名来消除
WAR 冲突和 WAW 冲突。使用 Tomasulo 算法的流水线需 3 段:
1)流出:从指令队列的头部取一条指令。①如果该指令的操作所要求的保留站有空闲的, 就把该指令送到该保留站 (设为
r)。
②如果其操作数在寄存器中已经就绪,就将这些操作数送入保留站 r。
③如果其操作数还没有就绪, 就把将产生该操作数的保留站的标识送入保留站 r。
一旦被记录的保留站完成计算,它将直接把数据送给保留站 r。完成对目标寄存器的预约工作,如果没有空闲的保留站,指令就不能流出。(2) 执行
①当两个操作数都就绪后, 本保留站就用相应的功能部件开始执行指令规定的操作。
load 和 store 指令的执行需要两个步骤:计算有效地址(要等到基地址寄存器就绪);把有效地址放入 load 或 store缓冲器。
( 3) 写结果
功能部件计算完毕后,就将计算结果放到 CDB 上,所有等待该计算结果的寄存器和保留(包括 store 缓冲器)都同时从 CDB 上获得所需要的数据。
3、Tomasulo算法的浮点处理部件的结构
Tomasulo 算法的浮点处理部件包括:保留站(浮点加法器有 3 个保留站:
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ADD1 ,ADD2 ,ADD3;浮点乘法器有两个保留站: MULT1 ,MULT2 )、公共数据总线 CDB 、load 缓冲器和 store 缓冲器、浮点寄存器 FP、指令队列、运算部
件(浮点加法器和浮点乘法器)
4、保留站的结构
每个保留站有以下 6 个字段:
① Op:要对源操作数进行的操作。
② Qj,Qk:将产生源操作数的保留站号。等于 0 表示操作数已经就绪且在 Vj 或
Vk 中,或者不需要操作数。
③ Vj ,Vk :源操作数的值。对于每一个操作数来说, V 或 Q 字段只有一个有效。
对于 load 来说, Vk 字段用于保存偏移量。
④ Busy:为 “yes”表示本保留站或缓冲单元 “忙”。
⑤ A:仅 load 和 store 缓冲器有该字段。开始是存放指令中的立即数字段,地址
计算后存放有效地址。
Qi :寄存器状态表。每个寄存器在该表中有对应的一项,用于存放将把结果写入该寄存器的保留站的站号。为 0 表示当前没有正在执行的指令要写入该寄存器,也即该寄存器中的内容就绪。
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