計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)第四次實(shí)驗(yàn)Tomasulo方法實(shí)驗(yàn)

Tomasulo辦法實(shí)驗(yàn) 姓名：王宇航 學(xué)號(hào)：09283020Tomasulo辦法實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)浚和ㄟ^(guò)本實(shí)驗(yàn)，理解指令流水化過(guò)程中亂序執(zhí)行和寄存器重命名辦法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、用dlxView模仿器或Tomasulo算法模仿器執(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(guò)程。三、實(shí)驗(yàn)環(huán)境操作系統(tǒng)：Windows7旗艦版解決器：Intel(R)Core(TM)i3雙核內(nèi)存：2.00GB軟件：Tomasulo算法模仿器四、實(shí)驗(yàn)過(guò)程：1、設(shè)立Tomasulo算法模仿器參數(shù)其中Load部件執(zhí)行時(shí)間不能設(shè)立為1，至少為2，故不作修改；加/減法部件執(zhí)行時(shí)間為4個(gè)時(shí)鐘周期，乘法部件執(zhí)行時(shí)間為7個(gè)時(shí)鐘周期，除法部件執(zhí)行時(shí)間為15個(gè)時(shí)鐘周期。2、分析Tomasulo算法模仿器中指令亂序執(zhí)行過(guò)程Tomasulo算法模仿器中默認(rèn)設(shè)立指令下圖所示：執(zhí)行該指令序列，重點(diǎn)觀測(cè)指令狀態(tài)寫成果一欄，便會(huì)發(fā)現(xiàn)執(zhí)行過(guò)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：圖中顯示，在第10周期時(shí)，位于MULT.D指令之后SUB.D指令通過(guò)4個(gè)周期已經(jīng)執(zhí)行完畢并已經(jīng)將成果寫回寄存器，而MULT.D指令仍在執(zhí)行中。在第13周期時(shí)，MULT.D指令通過(guò)7個(gè)周期執(zhí)行完畢，才將成果寫回。此外，還可以看到，位于DIV.D指令之后ADD.D指令在第11周期時(shí)就已經(jīng)開始執(zhí)行，而DIV.D指令直至當(dāng)前都未開始執(zhí)行。在第15周期時(shí)，ADD.D指令通過(guò)4個(gè)周期執(zhí)行完畢，先于DIV.D指令寫回成果；而DIV.D指令仍在執(zhí)行中。在第29周期時(shí)，DIV.D指令通過(guò)15個(gè)周期終于執(zhí)行完畢，將成果寫回寄存器。以上分析證明，在Tomasulo算法中存在亂序執(zhí)行并且不會(huì)影響執(zhí)行成果對(duì)的性。這是由于，Tomasulo算法采用分布保存站，沖突檢測(cè)和指令執(zhí)行控制是分布。3、分析Tomasulo算法模仿器中寄存器重命名過(guò)程在Tomasulo算法中通過(guò)寄存器重命名來(lái)消除WAR沖突，這一過(guò)程是通過(guò)保存站來(lái)完畢。當(dāng)指令流出到保存站時(shí)，若其操作數(shù)已經(jīng)就緒，則將該指令中相應(yīng)寄存器號(hào)換為該數(shù)據(jù)自身；若其操作數(shù)尚未計(jì)算出來(lái)，則將該指令中相應(yīng)寄存器號(hào)重命名為將產(chǎn)生這個(gè)操作數(shù)保存站標(biāo)記，從而使得該指令與此寄存器不再關(guān)于系，背面指令對(duì)此寄存器寫入操作也不也許對(duì)該指令導(dǎo)致WAR沖突了。（1）將指令中相應(yīng)寄存器號(hào)換為數(shù)據(jù)自身執(zhí)行Tomasulo算法模仿器中默認(rèn)設(shè)立指令序列，容易看出最后一條指令A(yù)DD.D和前一條指令DIV.D之間存在一種WAR沖突，即DIV.D指令要讀寄存器F8中值，ADD.D要寫寄存器F8中值，由于亂序執(zhí)行，ADD.D指令會(huì)先于DIV.D指令完畢；但是執(zhí)行成果卻不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，是由于Tomasulo算法通過(guò)寄存器重命名將這一沖突消除了?？梢钥吹皆诘?周期時(shí)，DIV.D指令流出到保存站中，此時(shí)F8中值已經(jīng)由前面L.D指令得出，為M1，但是模仿器并沒有將相應(yīng)寄存器號(hào)R[F8]寫入Vk字段中，而是將其換為了F8中數(shù)據(jù)自身M1，從而使得該指令與寄存器F8不再關(guān)于聯(lián)，無(wú)論背面指令如何改寫F8也都不會(huì)影響該指令對(duì)的執(zhí)行了。此外，由于前面MULT.D指令尚未得出F2值，故DIV.D指令將寄存器F2重命名為MULT.D指令保存站標(biāo)記Mult1，寫入Qj字段中。如下圖所示：在這個(gè)周期中，ADD.D指令已經(jīng)執(zhí)行完畢，并且已經(jīng)將寄存器F8中值由M1改寫成了M5，但此時(shí)DIV.D指令仍在對(duì)的執(zhí)行著，并沒有發(fā)生任何錯(cuò)誤，并且通過(guò)15個(gè)執(zhí)行周期可以對(duì)的完畢執(zhí)行過(guò)程，第15周期如下圖所示：由此闡明了將指令中相應(yīng)寄存器號(hào)換為數(shù)據(jù)自身這一寄存器重命名辦法成功地消除了WAR沖突。（2）將指令中相應(yīng)寄存器號(hào)重命名為將產(chǎn)生該操作數(shù)保存站標(biāo)記對(duì)Tomasulo算法模仿器中默認(rèn)設(shè)立指令進(jìn)行重排，將第一條L.D指令后移兩個(gè)位置，重排后指令如下圖所示：可以看到，在該指令序列中，最后一條指令A(yù)DD.D和前一條指令DIV.D之間依然存在一種WAR沖突。執(zhí)行該指令序列，觀測(cè)執(zhí)行過(guò)程?？梢园l(fā)當(dāng)前第5周期時(shí)，DIV.D指令流出到保存站中，而此時(shí)前面L.D指令尚未得出F8值，但是模仿器并沒有將相應(yīng)寄存器號(hào)R[F8]寫入Vk字段中，而是將其換為了L.D指令保存站標(biāo)記Load2寫入了Qk中，從而使得該指令與寄存器F8不再關(guān)于聯(lián)，無(wú)論背面指令如何改寫F8也都不會(huì)影響該指令對(duì)的執(zhí)行了，如下圖所示： 對(duì)寄存器F2解決和前一種狀況相似。在第6周期時(shí)，保存站Load2完畢計(jì)算，得出F8值M2，就會(huì)通過(guò)CBD將F8值直接傳送到DIV.D指令保存站Mult2Vk字段中，如下圖所示： 在第12周期時(shí)，MULT.D指令得出F2值后也會(huì)通過(guò)CDB將其直接送到DIV.D指令保存站中，DIV.D指令便可以開始執(zhí)行了。（3）分析WAW沖突消除辦法寄存器重命名辦法不但可以消除WAR沖突，還可以配合使用對(duì)目的寄存器預(yù)約辦法消除WAW沖突。這一辦法思想是，在一條指令流出到保存站時(shí)，將成果寄存器Qi字段設(shè)立為該指令保存站標(biāo)記，表達(dá)到果寄存器將要接受該指令成果，這樣其實(shí)相稱于提前完畢了寫操作。由于指令是按程序順序流出，當(dāng)浮現(xiàn)多條指令寫同一種成果寄存器時(shí)，最后留下預(yù)約成果必然是最后一條指令，因而可以消除WAW沖突。為了演示消除WAW沖突過(guò)程，改寫上述指令最后一條指令，將目的寄存器由F8改為F12，如下圖所示：在該指令序列中，DIV.D指令和最后ADD.D指令之間存在WAW沖突，即DIV.D指令要寫寄存器F12，ADD.D指令也要寫寄存器F12，由于亂序執(zhí)行，ADD.D指令會(huì)先于DIV.D指令完畢，寫成果至寄存器F12。若沒有任何防范辦法，當(dāng)DIV.D指令完畢后又會(huì)寫其執(zhí)行成果至寄存器F12，修改剛才ADD.D指令執(zhí)行成果，導(dǎo)致成果錯(cuò)誤。但Tomasulo算法通過(guò)寄存器重命名和對(duì)目的寄存器預(yù)約辦法將這一沖突消除了。執(zhí)行修改后指令序列，觀測(cè)執(zhí)行過(guò)程?？梢钥吹剑诘?周期時(shí)，DIV.D指令流出到保存站中，同步將寄存器F12Qi字段中設(shè)為DIV.D指令保存站標(biāo)記Mult2，完畢預(yù)約工作。如下圖所示：在第6周期時(shí)，ADD.D指令流出到保存站中，同步將寄存器F12Qi字段中改寫為該指令保存站標(biāo)記Add2，這樣就表達(dá)寄存器F12最后接受是ADD.D指令執(zhí)行成果，雖然DIV.D指令在ADD.D指令之后執(zhí)行完，也無(wú)法再改寫寄存器F12了，從而保證了F12中成果對(duì)的性。如下圖所示：為了驗(yàn)證這一辦法有效性，可以看一下第16周期和第28周期。在第16周期，ADD.D指令先于DIV.D指令完畢執(zhí)行過(guò)程，將成果寫入寄存器F12中，值為M5；在第29周期，DIV.D指令也完畢執(zhí)行過(guò)程，但是再也無(wú)法寫寄存器F12了，F(xiàn)12中值依然為ADD.D指令執(zhí)行成果M5，如下圖所示：第16周期第28周期由此闡明寄存器重命名和對(duì)目的寄存器預(yù)約辦法成功地消除了WAW沖突。五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)：本