循環(huán)展開及指令調(diào)度

1、循環(huán)展開及指令調(diào)度實(shí)驗項目名稱實(shí)驗?zāi)康募耙髮?shí)驗內(nèi)容循環(huán)展開及指令調(diào)度加深對循環(huán)級并行性、指令調(diào)度技術(shù)、循環(huán)展開技術(shù)以及寄存器換名技術(shù)的理解；熟悉用指令調(diào)度技術(shù)來解決流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)的方法；了解循環(huán)展開、指令調(diào)度等技術(shù)對 CPU性能的改進(jìn)。1用指令調(diào)度技術(shù)解決流水線中的結(jié)構(gòu)相關(guān)與數(shù)據(jù)相關(guān)1） 用 MIPS 匯編語言編寫代碼文件 *.s，程序中應(yīng)包括數(shù)據(jù)相關(guān)與結(jié)構(gòu)相關(guān) （假設(shè)：加法乘法除法部件各有 2 個，延遲時間都是 3 個時鐘周期）2） 通過 Configuration 菜單中的“Floating point stages” 選項，把加法乘法除法部件的個數(shù)設(shè)置為 2 個，把延遲都設(shè)置為 3

2、 個時鐘周期；3） 用 winMIPS64 運(yùn)行程序。記錄程序執(zhí)行過程中各種相關(guān)發(fā)生的次數(shù)、發(fā)生相關(guān)的指令組合，以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)；4） 采用指令調(diào)度技術(shù)對程序進(jìn)行指令調(diào)度，消除相關(guān)；5） 用 winMIPS64 運(yùn)行調(diào)度后的程序， 觀察程序在流水線中的執(zhí)行情況，記錄程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)；6） 根據(jù)記錄結(jié)果，比較調(diào)度前和調(diào)度后的性能。論述指令調(diào)度對于提高 CPU 性能的意義。用循環(huán)展開、寄存器換名以及指令調(diào)度提高性能1） 用 MIPS 匯編語言編寫代碼文件 *.s，程序中包含一個循環(huán)次數(shù)為 4 的整數(shù)倍的簡單循環(huán)；2） 用 winMIPS64 運(yùn)行該程序。記錄執(zhí)行過程中各種相關(guān)發(fā)生的

3、次數(shù)以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)；3） 將循環(huán)展開 3 次，將 4 個循環(huán)體組成的代碼代替原來的循環(huán)體，并對程序做相應(yīng)的修改。然后對新的循環(huán)體進(jìn)行寄存器換名和指令調(diào)度；4） 用 winMIPS64 運(yùn)行修改后的程序， 記錄執(zhí)行過程中各種相關(guān)發(fā)生的次數(shù)以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)；5） 根據(jù)記錄結(jié)果，比較循環(huán)展開、指令調(diào)度前后的性能。1用指令調(diào)度技術(shù)解決流水線中的結(jié)構(gòu)相關(guān)與數(shù)據(jù)相關(guān)代 碼：divff2,f5,f6divff1,f2,f6實(shí)驗步divff3,f1,f5驟divff0,f4,f7addff14,f0,f6addff15,f5,f7multff20,f4,f6multff21,f5,f72

4、）設(shè)置運(yùn)算部件個數(shù)以及運(yùn)算時鐘周期數(shù)圖 1圖2.Pipeline 圖以下為出現(xiàn)的數(shù)據(jù)相關(guān)圖 3先寫后讀相關(guān)圖 4由于只有兩個除法部件，所以出現(xiàn)了功能部件的沖突。 總的執(zhí)行周期是 38 指令調(diào)度后代碼：將無關(guān)指令放在一起執(zhí)行，相關(guān)指令分開盡量避免數(shù)據(jù)相關(guān)divf f2,f5,f6multf f20,f4,f6multf f21,f5,f7divf f1,f2,f6addf f15,f5,f7divf f3,f1,f5divf f0,f4,f7addf f14,f0,f6圖 5.Pipeline 圖圖 6.Statistics 圖總執(zhí)行時鐘周期為 35 個。6）指令調(diào)度后，數(shù)據(jù)相關(guān)減少了，總時鐘周

5、期數(shù)減少了，效能提高了。調(diào)度前的時鐘周期數(shù)為 38，調(diào)度后的時鐘周期數(shù)減少為 35，加速比 = 38/35= 1.08用循環(huán)展開、寄存器換名以及指令調(diào)度提高性能帶循環(huán)指令代碼：求四個1 相加的和，結(jié)果存在r2 中.text.global mainmain:addi r1,r0,#4addi r2,r0,#0Loop: sgt r3,r1,r0bnez r3,Sub1trap 0 Sub1:addi r2,r2,#1subi r1,r1,#1j Loop結(jié)果：總時鐘周期是 42 個， 5 raw stalls, 循環(huán)了 4 次，結(jié)果 r2 =4圖 7循環(huán)展開：代碼：.text.global ma

6、inmain:addi r1,r0,#4addi r2,r0,#0addi r2,r2,#1subi r1,r1,#1addi r2,r2,#1subi r1,r1,#1addi r2,r2,#1subi r1,r1,#1addi r2,r2,#1subi r1,r1,#1trap 0結(jié)果：總時鐘周期是 15 個，0 raw stalls, 執(zhí)行了 4 次，結(jié)果 r2 = 4圖8原因的對比：是因為 LOOP 指令執(zhí)行完后會有一個 nop 指令的延遲。圖 9多 Cache 一致性：實(shí)驗?zāi)康?、加深對多 CACHE 一致性的理解。2、進(jìn)一步掌握解決多CACHE 一致性的目錄協(xié)議和監(jiān)聽協(xié)議的基本思想

7、。3、掌握在各種情況下，目錄協(xié)議和監(jiān)聽協(xié)議是如何工作的。給出進(jìn)行操作的類型以及 CACHE 塊狀態(tài)的變化情況模擬器使用方法簡介（目錄式）該模擬器模擬 4 個 CPU（A 、B、C、D）訪存的工作過程。每個 CPU 中都有一個 Cache，該 Cache 包含有 4 個塊，其塊地址為 0-3。分布式存儲器中有 32 個塊，其塊地址為 0-31。每個塊狀態(tài)用色塊表示，其中灰色為“無效”狀態(tài)，淡青色為“共享”狀態(tài)，橘紅色為“獨(dú)占” 。主存中塊的狀態(tài)由其右邊的目錄項的顏色來表示，未緩沖狀態(tài)由黃色來表示，其他兩種狀態(tài)同 Cache 塊。對于每一個 CPU 都可以指定所要進(jìn)行的訪問是讀還是寫（從列表中選）

8、 ，并在輸入框中輸入所要訪問的主存塊號，然后用鼠標(biāo)單擊在其右邊的標(biāo)有“”的按鈕，模擬器就將開始演示該訪問的工作過程。圖 10模擬器簡介（監(jiān)聽協(xié)議）該模擬器模擬 4 個 CPU（A 、B、C、D）訪存的工作過程。每個 CPU 中都有一個 Cache，該 Cache 包含有 4 個塊，其塊地址為 0-3。集中共享存儲器中有 32 個塊，其塊地址為 0-31。每個塊狀態(tài)用色塊表示，其中灰色為“無效”狀態(tài)，淡青色為“共享”狀態(tài)，橘紅色為“獨(dú)占” 。對于每一個 CPU 都可以指定所要進(jìn)行的訪問是讀還是寫（從列表中選） ，并在輸入框中輸入所要訪問的主存塊號，然后用鼠標(biāo)單擊在其右邊的標(biāo)有“”的按鈕，模擬器就

9、將開始演示該訪問的工作過程。圖 11實(shí)驗步驟（目錄協(xié)議）對于以下訪問序列，寫出目錄協(xié)議所進(jìn)行的操作。所進(jìn)行目錄協(xié)議所進(jìn)行的操作CPUA 1讀 ;2.不命中 ;3 本地 :向宿主結(jié)點(diǎn)讀第 6 塊 發(fā)讀不命中 (A ，6)消息； 4.宿主：把數(shù)據(jù)塊送給本地結(jié)點(diǎn)； 5.共享集 CPU B 1 讀；2.不命中；3. 本地 :向宿主讀第 6塊結(jié)點(diǎn)發(fā)讀不命中 (B，6)消息；CPUD 1讀； 2.不命中； 3. 本地 :向宿主讀第 6塊 結(jié)點(diǎn)發(fā)讀不命中 (D，6)消息；CPUB 1寫； 2.命中； 3. 本地 :向宿主結(jié)寫第 6塊 點(diǎn)發(fā)寫命中 (，6)消息，宿主：向遠(yuǎn)程結(jié)點(diǎn) A 發(fā)CPUC1 讀；2.不命

10、中； 3. 本地 :向宿主結(jié)讀第 6塊點(diǎn)發(fā)讀不命中 (C ，6)消息；CPUD1寫； 2.不命中； 3. 本地 :向宿主寫第 20結(jié)點(diǎn)發(fā)寫不命中 (D，20)消息；4宿CPUA1寫； 2.不命中； 3. 本地 :向宿主寫第 20結(jié)點(diǎn)發(fā)寫不命中 (A ，20)消息；4宿CPUD1寫； 2.不命中； 3. 本地 :向宿主寫第 6塊結(jié)點(diǎn)發(fā)寫不命中 (D， 6)消息； 4.宿CPUA1寫； 2.不命中； 3.本地：向被替讀第 12換塊的宿主結(jié)點(diǎn)發(fā)寫回并修改共實(shí)驗步驟（監(jiān)聽協(xié)議）對于以下訪問序列，寫出監(jiān)聽協(xié)議所進(jìn)行的操作。所進(jìn)行是否是否發(fā)的訪問發(fā)生生寫回CPUA 否否CPUB 否否CPUC 否否CPUB 否發(fā)生CPUD 發(fā)生否CPUB 發(fā)生發(fā)生CPUA 否發(fā)生CPUC 發(fā)生發(fā)生寫第 23否否CPUBCPUB替換發(fā)生寫第 5塊監(jiān)聽協(xié)議所進(jìn)行的操作讀;不命中 ;讀不命讀;不命中 ;讀不命讀;不命中 ;讀不命寫,命中 ;作廢 A,C 讀;不命中 ;讀不命寫;不命中 ;寫不命寫;不命中 ;寫不命寫;不命中 ;寫不命中;替換 ;寫回 ;數(shù)讀;不命中 ;讀不命寫;不命中