計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)一流水線指令調(diào)度

1、& 4軸技女孕計(jì)算機(jī)專業(yè)類課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 學(xué)院：計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名：林怡學(xué) 號(hào)：2012060020023 指導(dǎo)教師：葉婭蘭日 期：2015年5月5日電子科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)一一、實(shí)驗(yàn)名稱：流水線指令調(diào)度二、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：4三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的：實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)本實(shí)驗(yàn)，理解指令調(diào)度的方法。掌握使用VC開(kāi)發(fā)平臺(tái)模擬處理機(jī)內(nèi)部指令流調(diào)度的編程策略。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（一）給定要執(zhí)行的任務(wù)和執(zhí)行該任務(wù)的流水線結(jié)構(gòu)流水線的調(diào)度方式能夠提高任務(wù)的并行度，但是針對(duì)不同的任務(wù)，由于相關(guān)的存在，其 并行度的提高是不一致的。在開(kāi)始程序設(shè)計(jì)前，我們首先要給定所要完成的任務(wù)：這里我

2、們使用最簡(jiǎn)單的累加操作Ai。n的數(shù)值可以變化，通過(guò)變換n的值用同一程 i=1序進(jìn)行多次模擬。X 勺 - 一 J一 -:.給定流水線：X凡二流水線分四個(gè)步驟，每個(gè)步驟的執(zhí)行時(shí)間均為一個(gè)單位時(shí)間。（二）對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解任務(wù)分解的目的是為了減少相關(guān)。例如n = 4時(shí)，任務(wù)分解為A1+A2、A3+A4、 A1+A2+A3+A4三個(gè)加法操作。如果n的大小是未知的，任務(wù)該怎樣分解呢？換而言之，在程序模擬中，有沒(méi)有 一種通行的分解處理方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意數(shù)目的源數(shù)據(jù)的累加的分解？（三）任務(wù)分解程序模擬的思路首先，Ai是對(duì)稱的，Ai和Aj都是一個(gè)源操作，任意更換其相對(duì)位置，計(jì)算的累 加和的結(jié)果是不變的。每次的加

3、法操作能執(zhí)行的必要條件是存在兩個(gè)源數(shù)據(jù)，因此我們可以把所有的源數(shù)據(jù)放入一個(gè)隊(duì)列中，只要該隊(duì)列中有兩個(gè)源，那么就執(zhí)行加法， 加法計(jì)算的結(jié)果是下一次計(jì)算的源數(shù)據(jù)，我們把它再放回源數(shù)據(jù)隊(duì)列，直到對(duì)列中只 剩一個(gè)數(shù)據(jù)、同時(shí)加法流水線中沒(méi)有執(zhí)行加法操作時(shí)，整個(gè)累加過(guò)程完成。（四）加法流水線的設(shè)計(jì)加法流水線分為四個(gè)步驟，每個(gè)步驟時(shí)間花費(fèi)是一個(gè)單位時(shí)間。模擬程序的目的 是為了計(jì)算總的執(zhí)行時(shí)間，因此對(duì)于每個(gè)步驟執(zhí)行的功能并不需要關(guān)心。為此設(shè)計(jì)一個(gè)總步數(shù)為4步的加法器，接收兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)4個(gè)時(shí)間片，輸 出加法的結(jié)果。時(shí)間片可以用定時(shí)器來(lái)模擬。（五）程序設(shè)計(jì)程序應(yīng)包括一個(gè)隊(duì)列，一個(gè)加法類，一個(gè)定時(shí)器，一個(gè)輸出

4、對(duì)話框。隊(duì)列用于存放源數(shù)據(jù)，一開(kāi)始將n個(gè)源數(shù)據(jù)A1An放入。啟動(dòng)定時(shí)器，每一個(gè)時(shí)間片從隊(duì)列中取出兩個(gè)源數(shù)據(jù)，送入加法器（可以通過(guò)調(diào) 用加法器中接口函數(shù)，把源數(shù)據(jù)作為參數(shù)傳入）。構(gòu)造加法器類，可以考慮用一個(gè)長(zhǎng)度對(duì)4的執(zhí)行隊(duì)列來(lái)模擬4個(gè)步驟，每個(gè)時(shí)間 片將隊(duì)列的數(shù)據(jù)依次下壓一格，隊(duì)列尾的數(shù)據(jù)進(jìn)行加法計(jì)算并將結(jié)果壓入源數(shù)據(jù)隊(duì)列。用一個(gè)記數(shù)值表示時(shí)間開(kāi)銷，每個(gè)時(shí)間片對(duì)該記數(shù)值加1。當(dāng)源隊(duì)列只剩一個(gè)數(shù)據(jù)且加法器的執(zhí)行隊(duì)列為空時(shí)，整個(gè)程序結(jié)束，記數(shù)器的值 就是任務(wù)執(zhí)行的總體時(shí)間花費(fèi)。（五）多次模擬可以通過(guò)循環(huán)的方式對(duì)n從4 20進(jìn)行循環(huán)，將每次模擬運(yùn)行的時(shí)間開(kāi)銷值在對(duì) 話框中顯示出來(lái)。如果可能將結(jié)果打印。

5、四、實(shí)驗(yàn)原理：程序設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：實(shí)驗(yàn)程序共有6個(gè)類，分別是：PipeAdditionTest公共類，測(cè)試程序，每一個(gè)n的循環(huán)，將計(jì)時(shí)器清零并初始化長(zhǎng)度 為n的源操作數(shù)隊(duì)列，當(dāng)源操作數(shù)隊(duì)列有多余一個(gè)操作數(shù)或者加法器的執(zhí)行隊(duì)列不為空的時(shí) 候持續(xù)調(diào)用加法器類執(zhí)行加法操作，在程序結(jié)束時(shí)輸出n以及計(jì)時(shí)器timercounter的值；OperaQueue操作數(shù)隊(duì)列類，包括一個(gè)操作數(shù)隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、隊(duì)列初始化函數(shù)OperaQueue（int queueLength）、從隊(duì)列中取一個(gè)源操作數(shù)函數(shù)getOperationNum（）和將加法器 計(jì)算的結(jié)果壓入隊(duì)尾的函數(shù)pushOperationNum（int op

6、）；Addition加法器類，包含一個(gè)加法執(zhí)行隊(duì)列additionQueue, 一個(gè)用于暫存操作數(shù)的隊(duì)列addOperandQueue。構(gòu)造函數(shù)Addition(int len)用于初始化加法器執(zhí)行隊(duì)列，函 數(shù)fetchOpNum在每一個(gè)時(shí)間片從源操作數(shù)隊(duì)列中取出操作數(shù)，函數(shù) getAdditionResult()將兩個(gè)源操作數(shù)相加并返回它們的和，以及一個(gè)空操作 executeNop()用于模擬加法器四級(jí)流水線。Timer成員變量timerCounter為時(shí)間片計(jì)數(shù)器。DialogFrame 對(duì)話框相關(guān)。DialogFrameComponent對(duì)話框相關(guān)。五、實(shí)驗(yàn)器材(設(shè)備、元器件)Win7操

7、作系統(tǒng)、Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、JDK1.8、Java程序語(yǔ)言六、實(shí)驗(yàn)步驟：程序流程圖：開(kāi)始退出七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析:當(dāng)n=4時(shí)，時(shí)空?qǐng)D如下：此時(shí)時(shí)間片開(kāi)銷為t=9當(dāng)n=5時(shí)，時(shí)空?qǐng)D如下：此時(shí)時(shí)間片開(kāi)銷為t=12s41234s31234s21234si1234tl t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 tlO til tl2當(dāng)n=6時(shí)，時(shí)空?qǐng)D如下：此時(shí)時(shí)間片開(kāi)銷為t=13s412345s312345s212345si12345tl t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 兇 tlO til tl2 tl3實(shí)驗(yàn)程序結(jié)果如圖:n = 4 timer = 9 sum=10n = 5

8、 timer = 12 sum=15n = 6 timer = 13 sum=21n = 7 timer = 14 sum=28n = 8 timer = 15 sum=36n = 9 timer = 16 sum=45n = 10 timer = 17 sum=551n = 11 timer = 18 sum=661n = 12 timer = 19 sum=78n = 13 timer = 20 sum=91n = 14 timer = 21 sum=105In = 15 timer = 22 sum=120n = 16 timer = 23 sum=136n = 17 timer = 2

9、4 sum=1531n = 18 timer = 25 sum=171n = 19 timer = 26 sum=190n = 20 timer = 27 sum=210J由截圖可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與時(shí)空?qǐng)D的結(jié)果是一致的，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)程序的正確性。八、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、心得體會(huì)和改進(jìn)建議：1、通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的加法流水線，增加了我對(duì)于流水線的工作流程的理解，也明白了通過(guò)指令的分解可以加快指令的運(yùn)行速度并減少相 關(guān)。2、通過(guò)對(duì)流水線的模擬，不僅熟悉了流水線指令調(diào)度的過(guò)程，也訓(xùn)練了我多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的使用，以及將問(wèn)題抽象的能力。在模擬程序的實(shí)現(xiàn)中，我采用了隊(duì)列、類等 等基本的結(jié)構(gòu)，這次實(shí)驗(yàn)，讓我理

10、解了流水線的調(diào)度策略，同時(shí)實(shí)際的程序開(kāi)發(fā) 也提高了我的編程能力。實(shí)驗(yàn)代碼如下：/*PipeAdditionTest.java*/package Pipeline;import java.awt.Dimension;import java.awt.EventQueue;import java.awt.Font;import java.awt.Graphics;import java.util.LinkedList;import java.util.Queue;import javax.swing.JComponent;import javax.swing.JFrame;public class

11、PipelineAdditionTestpublic static String printStr =;public static void main(String args) int n = 0;String tempStr =;for (n=4;n 1)| !addition.additionQueue.toString().equals(0, 0, 0, 0)/*若指令到達(dá)流水線最后一級(jí)，則求和并將結(jié)果壓入源操作數(shù)隊(duì)列*/if (addition.additionQueue.peek() = 1)sum =addition.getAddtionResult(addition.addOpe

12、randQueue.poll(),addition.addOperandQueue.poll();operaQueue.pushOperationNum(sum); 加法操作得到的結(jié)果壓 入操作數(shù)隊(duì)列System.out.println(peek后 operaQueue.size()=+operaQueue.opQueue.size();/*若源操作數(shù)隊(duì)列中有多于兩個(gè)操作數(shù)*/if (operaQueue.opQueue.size() 1)(System.out.println(before operaQueue,size()=+operaQueue,opQueue,size();op1 =

13、operaQueue.getOperationNum();op2 = operaQueue.getOperationNum();/從操作數(shù)隊(duì)列中取兩個(gè)源操作數(shù)addition.addOperandQueue.offer(opl);addition.addOperandQueue.offer(op2); 暫存入加法器的操作 數(shù)隊(duì)列，以便后續(xù)進(jìn)行加法操作System. out.println(取數(shù)后 operaQueue,size()=+operaQueue,opQueue,size();addition.fetchOpNum();/指令進(jìn)入加法流水線，壓入加法器執(zhí)行隊(duì)列else addition

14、.executeNop(); /若源操作數(shù)隊(duì)列中的元素個(gè)數(shù)少于2 個(gè)，執(zhí)行空操作System. out.println(執(zhí)行后addQueue=+addition.additionQueue.toString();if (operaQueue.opQueue.size() = 1 & addition.additionQueue.toString().equals(0, 0, 0, 0) sum = operaQueue.opQueue.poll();break;Timer.timerCounter+;System.out.println( t+Timer.timerCounter+n);te

15、mpStr = n = +n+ timer = +Timer.timerCounter+ sum=+sum+n;printStr = printStr + tempStr;/*調(diào)用對(duì)話框*/EventQueue.invokeLater(new Runnable() public void run() JFrame frame = new DialogFrame();frame.setTitle(流水線加法指令調(diào)度”)； frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE );frame.setVisible(true);)；/*操作數(shù)隊(duì)列，長(zhǎng)

16、度初始化為n */class OperaQueue(Queue opQueue;public OperaQueue(int queueLength)(opQueue = new LinkedList(); 初始化隊(duì)列for (int i=1;iqueueLength+1;i+)opQueue.offer(i);/操作數(shù) 1n 依次入隊(duì) int getOperationNum()return opQueue.poll(); void pushOperationNum(int op)opQueue.offer(op);將相加后的操作數(shù)入隊(duì) /*加法器類，分為四個(gè)步驟*/class Addition

17、Queue additionQueue = new LinkedList();Queue addOperandQueue = new LinkedList();Addition(int len)/*初始化加法器執(zhí)行隊(duì)列*/while (len-!=0)additionQueue.offer(0);void fetchOpNum()/*執(zhí)行隊(duì)列下壓一格，模擬4個(gè)步驟*/*第一級(jí)取數(shù)操作*/additionQueue.poll();additionQueue.offer(1);void executeNop()/*執(zhí)行隊(duì)列下壓一格，模擬4個(gè)步驟*/*空操作*/additionQueue.poll(

18、);additionQueue.offer(0);int getAddtionResult(int opa,int opb)/*將兩個(gè)源操作數(shù)相加，返回它們的和*/ return opa+opb;/* 計(jì)時(shí)器timerCounter*/class Timerpublic static int timerCounter; /計(jì)時(shí)器timercounter /*對(duì)話框*/class DialogFrame extends JFramepublic DialogFrame()add(new DialogFrameComponent();pack();DialogFrameComponent extends JComponentclasspublic static int MESSAGE_X = 40;public static int MESSAGE_Y = -200;private static final int DEFAULT_WIDTH = 400;private static final int DEFAULT_HEIGHT = 350;public void pai