計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第四次實(shí)驗(yàn)tomasulo方法實(shí)驗(yàn)

1、Tomasulo方法實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^本實(shí)驗(yàn)，理解指令流水化過程中亂序執(zhí)行和寄存器重命名方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、用dlxView模擬器或Tomasulo算法模擬器執(zhí)行浮點(diǎn)指令程序段。2、指出指令亂序執(zhí)行和寄存器重命名過程。三、實(shí)驗(yàn)環(huán)境操作系統(tǒng)：Windows7旗艦版處理器：Intel(R)Core(TM)i3雙核內(nèi)存：軟件：Tomasulo算法模擬器四、實(shí)驗(yàn)過程：Load2加成4T觸15功能部件的執(zhí)行時間1、設(shè)置Tomasulo算法模擬器參數(shù)其中Load部件的執(zhí)行時間不能設(shè)置為1,至少為2,故不作修改；加/減法部件的執(zhí)行時間為4個時鐘周期，乘法部件的執(zhí)行時間為7個時鐘周期，除法部件的執(zhí)行時

2、間為15個時鐘周期。2、分析Tomasulo算法模擬器中指令亂序執(zhí)行過程Tomasulo算法模擬器中默認(rèn)設(shè)置的指令下圖所示：指令執(zhí)行該指令序列，重點(diǎn)觀察指令狀態(tài)的寫結(jié)果一欄，便會發(fā)現(xiàn)執(zhí)行過程中存在亂序執(zhí)行現(xiàn)象，共有兩處亂序執(zhí)行，分別如下列圖所示：指令狀態(tài)指令抗勺與第果LD%21陰)L4LDP4,(R4)26MULI.DF4，F(xiàn)63LSUBBFILL陽，F(xiàn)446飛BIIT.D12,FS5ADDDFBjFIOiF4E，圖中顯示，在第10周期時，位于指令之后的指令經(jīng)過4個周期已經(jīng)執(zhí)行完成并已經(jīng)將結(jié)果寫回寄存器，而指令仍在執(zhí)行中。指令狀態(tài)-釐融執(zhí)行馬結(jié)果L.DF6,幅)12七4L.D23%5MULT.

3、IJ院,F4,F636T213酒口F10-通咫4B飛10iDIV口Fii%ya5ADDDF6iFIOiT46ir在第13周期時，指令經(jīng)過7個周期執(zhí)行完畢，才將結(jié)果寫回。此外，還可以看到，位于指令之后的指令在第11周期時就已經(jīng)開始執(zhí)行，而指令直至現(xiàn)在都未開始執(zhí)行。指令狀態(tài)指令融颯行號鰭果L.DF白，21哈)LL.DF4,16(R4)2門EMUUEF4，F(xiàn)6313SUBJFIOp陽，F(xiàn)4q6飛10DiirdF12,F2,F85l廣ADD.BF8jFIOiF4F.iri415在第15周期時，指令經(jīng)過4個周期執(zhí)行完畢，先于指令寫回結(jié)果；而指令仍在執(zhí)行中。旌狀態(tài)I指令流出出行寫鰭果LIj圖,21(S3)

4、1爐吸4L.EF4?1&G14)25MULT,D72,F4,鳴3fl1213SUE.IFlOz我,F44它飛10DIV.JFi2F。附5143編ADD.1F6；F1QF4&1P1415在第29周期時，指令經(jīng)過15個周期終于執(zhí)行完畢，將結(jié)果寫回寄存器。以上分析證明，在Tomasulo算法中存在亂序執(zhí)行并且不會影響執(zhí)行結(jié)果的正確性。這是因?yàn)椋琓omasulo算法采用分布的保留站，沖突檢測和指令執(zhí)行控制是分布的。3、分析Tomasulo算法模擬器中寄存器重命名過程在Tomasulo算法中通過寄存器重命名來消除WAR沖突，這一過程是通過保留站來完成的。當(dāng)指令流出到保留站時，若其操作數(shù)已經(jīng)就緒，則將該指

5、令中相應(yīng)的寄存器號換為該數(shù)據(jù)本身；若其操作數(shù)還未計算出來，則將該指令中相應(yīng)的寄存器號重命名為將產(chǎn)生這個操作數(shù)的保留站的標(biāo)識，從而使得該指令與此寄存器不再有關(guān)系，后面指令對此寄存器的寫入操作也不可能對該指令造成WAR沖突了。(1)將指令中相應(yīng)的寄存器號換為數(shù)據(jù)本身令之間存在一個WAR沖突，即指令要讀寄存器F8中的值，要寫寄存器F8中的值，由于亂序執(zhí)行，指令會先于指令完成；但是執(zhí)行結(jié)果卻不會發(fā)生錯誤，是因?yàn)門omasulo算法通過寄存器重命名將這一沖突消除了。可以看到在第5周期時，指令流出到保留站中，此日F8中的值已經(jīng)由前面的指令得出，為M1，但是模擬器并沒有將相應(yīng)的寄存器號RF8寫入Vk字段中，

6、而是將其換為了F8中數(shù)據(jù)本身M1,從而使得該指令與寄存器F8不再有關(guān)聯(lián)，無論后面指令怎樣改寫F8也都不會影響該指令的正確執(zhí)行了。此外，由于前面的指令還未得出F2的值，故指令將寄存器F2重命名為指令的保留站標(biāo)識Multi,寫入Qj字段中。如下圖所示：宜出曲行蕓姑其LD 咄，凱由J2、4LD 小 111W5際工，戲，F(xiàn)ti再3SUE： D F1h叫45IV 川3出E弓具二手：用右邊的畏阻控M報當(dāng)?shù)呐欧?指令觸Azdl：es5UZi.nH.IL.* i%FfriltlT*E加匚工D加erwilNELt 充T中DIV. 11I Tine 總稱 Bury DijYk5手:HF：TZgFL4毒口冷費(fèi)4F2

7、&FE8F30Qi仁11L=&42Ld4.1LAHLEMiML在這個周期中，指令已經(jīng)執(zhí)行完畢，并且已經(jīng)將寄存器F8中的值由M1改寫成了M5,但此時指令仍在正確執(zhí)行著，并沒有發(fā)生任何錯誤，并且經(jīng)過15個執(zhí)行周期可以正確完成執(zhí)行過程，第15周期如下圖所示：席用右迎糊港R,由專柄善/行均曜Tara 名掰Suh尸Dj：注/Fo*AMNolil&13館AEEhtJt* I祁11字忖JQFE距PLOELF1HFIEFIBJ2D旌KMF3B50AhiHull&叫&州忙與以器由此說明了將指令中相應(yīng)的寄存器號換為數(shù)據(jù)本身這一寄存器重命名的方法成功地消除了WAR沖突。(2)將指令中相應(yīng)的寄存器號重命名為將產(chǎn)生該操

8、作數(shù)的保留站的標(biāo)識對Tomasulo算法模擬器中默認(rèn)設(shè)置的指令進(jìn)行重排，將第一條指令后移兩個位置，重排后的指令如下圖所示:指令L.D*F4一MULT DTF?VLL.F8/SUB. DTF10Dlk DF12ABD.DF3V見IFMlbNixLl -isR4F4F6T21的一FbF4FRFBF10啊Null*HullMl ,NyXl 可以看到，在該指令序列中，最后一條指令和前一條指令之間仍然存在一個WAR沖突。執(zhí)行該指令序列，觀察執(zhí)行過程?？梢园l(fā)現(xiàn)在第5周期時，指令流出到保留站中，而此時前面的指令還未得出 F8的值，但是模擬器并沒有將相應(yīng)的寄存器號RF8寫入Vk字段中，而是將其換為了指令的保留

9、站標(biāo)識Load2寫入了 Qk中，從而使得該指令與寄存器F8不再有關(guān)聯(lián)，無論后面指令怎樣改寫F8也都不會影響該指令的正確執(zhí)行了，如下圖所示：SUE B41k tiTim 看希 kliL 11M后退當(dāng)個制Q當(dāng)埒L&iilLX 口心當(dāng)前罔明:字貸FOPE-ai珀陽PLZFL4T161rarPZ4f6rzBr.3o5Lz.iLLLd . XiUln4NILE5店奇有器AFlflimr.L 的對寄存器F2的處理和前一種情況的相同。在第6周期時，保留站Load2完成計算，得出F8的值M2,就會通過CBD將F8的值直接傳送到指令的保留站 Mult2的Vk字段中，如下圖所示：享EJOflJ&F3110?12r

10、iiusTIBr2rT21T24.t2以TZON-JLtliLcaiLJufdl_|飛1位|ri2當(dāng)前周期：6U4 至小ItlXHIL哂UUU D叫4+眸P不L 口 同21的134fSUE D fid,降 M-iIV。口，由苒5mn n機(jī)mn后百用心迫的胺tE短雇的百 相紐我去心行g(shù)rH址*UEH.IkLoaCpB-I Ling名祚3usfDpjWe3kzUK莉t PJ-VJT-esKDE Dk02dH1ILT. Ml旦瞪ffljlts%， m dHm 11在第12周期時，指令得出F2的值后也會通過CDB將其直接送到指令的保留站中，指令便可以開始執(zhí)行了。(3)分析WAW沖突的消除方法寄存器重命

11、名方法不僅可以消除WAR沖突，還可以配合使用對目標(biāo)寄存器的預(yù)約方法消除WAW沖突。這一方法的思想是，在一條指令流出到保留站時，將結(jié)果寄存器的Qi字段設(shè)置為該指令的保留站標(biāo)識，表示結(jié)果寄存器將要接收該指令的結(jié)果，這樣其實(shí)相當(dāng)于提前完成了寫操作。由于指令是按程序順序流出的，當(dāng)出現(xiàn)多條指令寫同一個結(jié)果寄存器時，最后留下的預(yù)約結(jié)果必定是最后一條指令的，因此能夠消除WAW沖突。為了演示消除WAW沖突的過程，改寫上述指令的最后一條指令，將目標(biāo)寄存器由F8改為F12,如下圖所示：指令LDF4ieR4I11ULTDwf2VF4wreL.D,F321,E3SUE.lF1Cf8F4DIV.JVF1WTF2TF6M

12、DjF12TF10F4一HOFVNullTMLNullTFmoppNullrjsnllTjaZlZ在該指令序列中，指令和最后的指令之間存在WAW沖突，即指令要寫寄存器F12,指令也要寫寄存器F12,由于亂序執(zhí)行，指令會先于指令完成，寫結(jié)果至寄存器F12。若沒有任何防范措施，當(dāng)指令完成后又會寫其執(zhí)行結(jié)果至寄存器F12,修改剛才的指令的執(zhí)行結(jié)果，導(dǎo)致結(jié)果錯誤。但Tomasulo算法通過寄存器重命名和對目標(biāo)寄存器的預(yù)約方法將這一沖突消除了。執(zhí)行修改后的指令序列，觀察執(zhí)行過程?？梢钥吹?，在第5周期時，指令流出到保留站中，同時將寄存器F12的Qi字段中設(shè)為指令保留站的標(biāo)識Mult2,完成預(yù)約工作。如下圖

13、所示：策二步：用右迫腦按粗,1SH一軸捌行 穿之北士5局廣赳揄JL.D Hr 1614)L4ULJ 0卜小而ZL D 阻日r 21再J3qf518. D FL怎 Ji, rq-i：iv dr：, np nt* 內(nèi)u*名*?Er培址惟妁SWXW1MHH：】般：】LoWMoT1M 哥立 us yDpVj,AcOj業(yè)MUAW打葡Bpriiit口工n uu Hihitsm d-1處其三哥布塞子可run不pgPIOriFl-1TlfiPIOP22F4J29ILxeU二：fiJhi在第6周期時，指令流出到保留站中，同時將寄存器F12的Qi字段中改寫為該指令保留站的標(biāo)識Add2,這樣就表示寄存器F12最后接

14、收的是指令的執(zhí)行結(jié)果，即使指令在指令之后執(zhí)行完，也無法再改寫寄存器F12了，從而保證了F12中結(jié)果的正確性。如下圖所示：一尋一相至島出摭檸2砧鼻L I H- 1612力trmi P 堂，P廣L B ?Bi 21 jOJ34FBS1B.1 ?L0, fgw f lqmv :r , 25Aim yrim ”Tirt名社HhftLmMH 成IU出口世；HdiBust ?？贔lYkAHLSLBlD1c11,M42ItsADD D，皿4IhdFNULJ DHIEg%lt2IlIXD當(dāng)前周期：6艙至口 0roF2MPBetcnzH亳FL6P15mFZ%FZ3.t1/hiltLLwdLLwiZAMLAldz

15、T電機(jī)強(qiáng)I為了驗(yàn)證這一方法的有效性，可以看一下第16周期和第28周期。在第16周期，指令先于指令完成執(zhí)行過程，將結(jié)果寫入寄存器F12中，值為M5;在第29周期，指令也完成執(zhí)行過程，但是再也無法寫寄存器F12了，F(xiàn)12中的值仍然為指令的執(zhí)行結(jié)果M5,如下圖所示：第16周期五、實(shí)驗(yàn)總結(jié):本次實(shí)驗(yàn)主要是借助Tomasulo算法模擬器理解指令流水化過程中亂序執(zhí)行和寄存器重命名方法。通過在Tomasulo算法模擬器執(zhí)行存在WAR沖突或者WAW沖突的浮點(diǎn)指令程序段，分析其中的亂序執(zhí)行現(xiàn)象和寄存器重命名過程，我理解了Tomasulo算法消除WAR沖突和WAW沖突的方法，理解并掌握了寄存器重命名的原理及過程。當(dāng)前同第士2S轉(zhuǎn)移主第28周期由此說明寄存器重命名和對目標(biāo)寄存器的預(yù)約方法成功地消除了WAW沖突。WnltLLwidLSi二生；用右由匕技母,控制指令代肽懺我主壯惑步進(jìn)叵逾前進(jìn)5個圈用非專LB飄出期)V1UH施QU金口冽H右在，F(xiàn)4V一F-ImDFL2hHOIRLoi