計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗一流水線指令調(diào)度

1、& 4軸技女孕計算機專業(yè)類課程實驗報告課程名稱：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 學(xué)院：計算機科學(xué)與工程專業(yè)：計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名：林怡學(xué) 號：2012060020023 指導(dǎo)教師：葉婭蘭日 期：2015年5月5日電子科技大學(xué)實驗報告實驗一一、實驗名稱：流水線指令調(diào)度二、實驗學(xué)時：4三、實驗內(nèi)容和目的：實驗?zāi)康模和ㄟ^本實驗，理解指令調(diào)度的方法。掌握使用VC開發(fā)平臺模擬處理機內(nèi)部指令流調(diào)度的編程策略。實驗內(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。在開始程序設(shè)計前，我們首先要給定所要完成的任務(wù)：這里我

2、們使用最簡單的累加操作Ai。n的數(shù)值可以變化，通過變換n的值用同一程 i=1序進行多次模擬。X 勺 - 一 J一 -:.給定流水線：X凡二流水線分四個步驟，每個步驟的執(zhí)行時間均為一個單位時間。（二）對任務(wù)進行分解任務(wù)分解的目的是為了減少相關(guān)。例如n = 4時，任務(wù)分解為A1+A2、A3+A4、 A1+A2+A3+A4三個加法操作。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，有沒有 一種通行的分解處理方式，可以實現(xiàn)對任意數(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是對稱的，Ai和Aj都是一個源操作，任意更換其相對位置，計算的累 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源數(shù)據(jù)，因此我們可以把所有的源數(shù)據(jù)放入一個隊列中，只要該隊列中有兩個源，那么就執(zhí)行加法， 加法計算的結(jié)果是下一次計算的源數(shù)據(jù)，我們把它再放回源數(shù)據(jù)隊列，直到對列中只 剩一個數(shù)據(jù)、同時加法流水線中沒有執(zhí)行加法操作時，整個累加過程完成。（四）加法流水線的設(shè)計加法流水線分為四個步驟，每個步驟時間花費是一個單位時間。模擬程序的目的 是為了計算總的執(zhí)行時間，因此對于每個步驟執(zhí)行的功能并不需要關(guān)心。為此設(shè)計一個總步數(shù)為4步的加法器，接收兩個輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過4個時間片，輸 出加法的結(jié)果。時間片可以用定時器來模擬。（五）程序設(shè)計程序應(yīng)包括一個隊列，一個加法類，一個定時器，一個輸出

4、對話框。隊列用于存放源數(shù)據(jù)，一開始將n個源數(shù)據(jù)A1An放入。啟動定時器，每一個時間片從隊列中取出兩個源數(shù)據(jù)，送入加法器（可以通過調(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，可以考慮用一個長度對4的執(zhí)行隊列來模擬4個步驟，每個時間 片將隊列的數(shù)據(jù)依次下壓一格，隊列尾的數(shù)據(jù)進行加法計算并將結(jié)果壓入源數(shù)據(jù)隊列。用一個記數(shù)值表示時間開銷，每個時間片對該記數(shù)值加1。當(dāng)源隊列只剩一個數(shù)據(jù)且加法器的執(zhí)行隊列為空時，整個程序結(jié)束，記數(shù)器的值 就是任務(wù)執(zhí)行的總體時間花費。（五）多次模擬可以通過循環(huán)的方式對n從4 20進行循環(huán)，將每次模擬運行的時間開銷值在對 話框中顯示出來。如果可能將結(jié)果打印。

5、四、實驗原理：程序設(shè)計及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：實驗程序共有6個類，分別是：PipeAdditionTest公共類，測試程序，每一個n的循環(huán)，將計時器清零并初始化長度 為n的源操作數(shù)隊列，當(dāng)源操作數(shù)隊列有多余一個操作數(shù)或者加法器的執(zhí)行隊列不為空的時 候持續(xù)調(diào)用加法器類執(zhí)行加法操作，在程序結(jié)束時輸出n以及計時器timercounter的值；OperaQueue操作數(shù)隊列類，包括一個操作數(shù)隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、隊列初始化函數(shù)OperaQueue（int queueLength）、從隊列中取一個源操作數(shù)函數(shù)getOperationNum（）和將加法器 計算的結(jié)果壓入隊尾的函數(shù)pushOperationNum（int op

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

7、作系統(tǒng)、Eclipse集成開發(fā)環(huán)境、JDK1.8、Java程序語言六、實驗步驟：程序流程圖：開始退出七、實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析:當(dāng)n=4時，時空圖如下：此時時間片開銷為t=9當(dāng)n=5時，時空圖如下：此時時間片開銷為t=12s41234s31234s21234si1234tl t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 tlO til tl2當(dāng)n=6時，時空圖如下：此時時間片開銷為t=13s412345s312345s212345si12345tl t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 兇 tlO til tl2 tl3實驗程序結(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，實驗結(jié)果與時空圖的結(jié)果是一致的，說明實驗程序的正確性。八、實驗結(jié)論、心得體會和改進建議：1、通過本次實驗，我自己動手實現(xiàn)了一個簡單的加法流水線，增加了我對于流水線的工作流程的理解，也明白了通過指令的分解可以加快指令的運行速度并減少相 關(guān)。2、通過對流水線的模擬，不僅熟悉了流水線指令調(diào)度的過程，也訓(xùn)練了我多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的使用，以及將問題抽象的能力。在模擬程序的實現(xiàn)中，我采用了隊列、類等 等基本的結(jié)構(gòu)，這次實驗，讓我理

10、解了流水線的調(diào)度策略，同時實際的程序開發(fā) 也提高了我的編程能力。實驗代碼如下：/*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)/*若指令到達流水線最后一級，則求和并將結(jié)果壓入源操作數(shù)隊列*/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)隊列System.out.println(peek后 operaQueue.size()=+operaQueue.opQueue.size();/*若源操作數(shù)隊列中有多于兩個操作數(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)隊列中取兩個源操作數(shù)addition.addOperandQueue.offer(opl);addition.addOperandQueue.offer(op2); 暫存入加法器的操作 數(shù)隊列，以便后續(xù)進行加法操作System. out.println(取數(shù)后 operaQueue,size()=+operaQueue,opQueue,size();addition.fetchOpNum();/指令進入加法流水線，壓入加法器執(zhí)行隊列else addition

14、.executeNop(); /若源操作數(shù)隊列中的元素個數(shù)少于2 個，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)隊列，長

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

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

18、);additionQueue.offer(0);int getAddtionResult(int opa,int opb)/*將兩個源操作數(shù)相加，返回它們的和*/ return opa+opb;/* 計時器timerCounter*/class Timerpublic static int timerCounter; /計時器timercounter /*對話框*/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