Tomasulo算法實(shí)驗(yàn)報(bào)告

高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Tomasulo算法實(shí)驗(yàn)報(bào)告Tomasulo算法實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）加深對(duì)指令集并行性及開(kāi)發(fā)的理解。（2）加深對(duì)Tomasulo算法的理解。.（3）掌握Tomulo算法在指令流出、執(zhí)行、寫結(jié)果各階段對(duì)浮點(diǎn)操作指令以及l(fā)oad和store指令進(jìn)行什么處理。（4）掌握采用了Tomasulo算法的浮點(diǎn)處理部件的結(jié)構(gòu)。（5）掌握保留站的結(jié)構(gòu)。（6）給定被執(zhí)行代碼片段，對(duì)于具體某個(gè)時(shí)鐘周期，能夠?qū)懗霰Ａ粽?、指令狀態(tài)表以及浮點(diǎn)寄存器狀態(tài)表內(nèi)容的變化情況。二、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用Tomasulo算法模擬器。Tomasulo算法基本思想：記錄和檢測(cè)指令相關(guān)，操作數(shù)一旦就緒就立即執(zhí)行，把發(fā)生RAW沖突的可能性減少到最?。煌ㄟ^(guò)寄存器換名來(lái)消除WAR沖突和WAW沖突。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟實(shí)驗(yàn)一（1）學(xué)會(huì)使用Tomasulo算法。假設(shè)浮點(diǎn)功能部件的延遲時(shí)間為加減法2個(gè)周期，乘法10個(gè)時(shí)鐘周期，除法40個(gè)時(shí)鐘周期，load部件2個(gè)時(shí)鐘周期。對(duì)于下面的代碼段，給出當(dāng)指令MUL.D寫結(jié)果時(shí)，保留站、load緩沖器以及寄存器狀態(tài)表中的內(nèi)容。L.DF6,24(R2)L.DF2,12(R3)MUL.DF0,F2,F4SUB.DF8,F6,F2DIV.DF10,F0,F6ADD.DF6,F8,F2②按步進(jìn)方式執(zhí)行上述代碼，利用模擬器的“小三角按鈕”的對(duì)比顯示功能，觀察每一個(gè)時(shí)鐘周期前后各信息表中內(nèi)容的變化情況。（2）對(duì)與上面相同的延遲時(shí)間和代碼段。①給出在第3個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，保留站、load緩沖器以及寄存器狀態(tài)表中的內(nèi)容。②步進(jìn)5個(gè)時(shí)鐘周期，給出這時(shí)保留站、load緩沖器以及寄存器狀態(tài)表中的內(nèi)容。③再步進(jìn)10個(gè)時(shí)鐘周期，給出這時(shí)保留站、load緩沖器以及寄存器狀態(tài)表中的內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)二假設(shè)浮點(diǎn)功能部件的延遲時(shí)間為加減法3個(gè)時(shí)鐘周期，乘法8個(gè)時(shí)鐘周期，除法40個(gè)時(shí)鐘周期。對(duì)于下面的代碼重復(fù)實(shí)驗(yàn)一中步驟（2）的內(nèi)容。編寫代碼如下：L.DF6,28(R2)ADD.DF2,F4,F8MUL.DF0,F2,F4SUB.DF8,F6,F2DIV.DF12,F0,F6ADD.DF10,F8,F2四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析說(shuō)明：R[X]表示寄存器X的內(nèi)容，M[y]表示存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元y的內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)一結(jié)果浮點(diǎn)功能部件的延遲時(shí)間為加減法2個(gè)周期，乘法10個(gè)時(shí)鐘周期，除法40個(gè)時(shí)鐘周期，load部件2個(gè)時(shí)鐘周期，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知程序全部執(zhí)行完需要57個(gè)時(shí)鐘周期。1)當(dāng)指令MUL.D寫結(jié)果時(shí)，保留站、load緩沖器以及寄存器狀態(tài)表中的內(nèi)容。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出MUL.D寫結(jié)果時(shí)是第16個(gè)周期，此時(shí)各部件的狀態(tài)如下所示：其指令執(zhí)行狀態(tài)如下：②其保留站內(nèi)容如下：分析：此時(shí)SUB.D、ADD.D和MULt1已經(jīng)執(zhí)行完畢，所以Busy狀態(tài)為“no”，而DIV.D還未執(zhí)行完，所以保留站Mult2仍處于忙碌狀態(tài)。③load緩沖器內(nèi)容:分析：此時(shí)Loda緩沖器處于閑置狀態(tài)，因?yàn)橹挥星皟蓷l指令需要計(jì)算地址，而前兩條指令在第5個(gè)周期時(shí)已經(jīng)執(zhí)行完，所以指導(dǎo)程序運(yùn)行完的所有周期中該部件都是處于閑置狀態(tài)的。④寄存器內(nèi)容：2）第3個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，保留站、load緩沖器以及寄存器狀態(tài)表中的內(nèi)容。①指令狀態(tài)②保留站內(nèi)容分析：第3個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)MULT.D指令流出，所以保留站的Mult1處于忙碌狀態(tài)。③load緩沖器內(nèi)容:分析：第3個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)前兩條去操作數(shù)的指令還為執(zhí)行完，所以load緩沖器的前兩個(gè)緩沖器處于忙狀態(tài)。④寄存器3)步進(jìn)5個(gè)時(shí)鐘周期，給出這時(shí)保留站、load緩沖器以及寄存器狀態(tài)表中的內(nèi)容。步進(jìn)5個(gè)時(shí)鐘周期后，是程序執(zhí)行的第8個(gè)周期，此時(shí)各部件的狀態(tài)如下：①指令狀態(tài)（此時(shí)SUB.D指令恰好執(zhí)行完成）②保留站內(nèi)容分析：第8個(gè)周期時(shí)L.D和SUB.D三條指令執(zhí)行完畢，其余三條未完成，所以保留站中仍有其他三條的信息。③load緩沖器內(nèi)容:④寄存器內(nèi)容4）再步進(jìn)10個(gè)時(shí)鐘周期，這時(shí)處于執(zhí)行周期的第18個(gè)周期，這時(shí)保留站、load緩沖器以及寄存器狀態(tài)表中的內(nèi)容：①指令狀態(tài)分析：第18個(gè)周期時(shí)只剩下DIV.D指令未執(zhí)行完，并且此時(shí)正處于執(zhí)行的等待階段。②保留站分析：此時(shí)其余指令全部執(zhí)行完畢，只有DIV.D還未執(zhí)行完，所以只有保留站Mult2仍處于忙碌狀態(tài)。③Load緩沖器④寄存器實(shí)驗(yàn)二結(jié)果浮點(diǎn)功能部件的延遲時(shí)間為加減法3個(gè)周期，乘法8個(gè)時(shí)鐘周期，除法40個(gè)時(shí)鐘周期，load部件2個(gè)時(shí)鐘周期。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知該程序需要56個(gè)周期執(zhí)行完成。（分析與實(shí)驗(yàn)一類似，不再贅述）（1）第3個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，保留站、load緩沖器以及寄存器狀態(tài)表中的內(nèi)容。①指令狀態(tài)②保留站③load緩沖器內(nèi)容:④寄存器內(nèi)容（2）步進(jìn)5個(gè)時(shí)鐘周期，給出這時(shí)保留站、load緩沖器以及寄存器狀態(tài)表中的內(nèi)容。①指令狀態(tài)：②保留站內(nèi)容：③Load部件內(nèi)容：④寄存器部件內(nèi)容：（3）再步進(jìn)10個(gè)時(shí)鐘周期，給出這時(shí)保留站、load緩沖器以及寄存器狀態(tài)表中的內(nèi)容。①指令狀態(tài)：②保留站內(nèi)容：③Load部件內(nèi)容：④寄存器部件內(nèi)容：五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1.對(duì)并行性的理解流水線使指令重疊并行執(zhí)行，可以達(dá)到提高性能的目的，如果指令間沒(méi)有相關(guān)性，可以并行執(zhí)行，例如程序中前兩個(gè)指令的流出和執(zhí)行階段，第二周期時(shí)第二條LOAD.D的流出和第一條LOAD.D的執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行，從而提高了指令執(zhí)行的效率。但是由于程序之間的相互依賴性，使得流水線中指令流的下一條指令不能在指定的時(shí)鐘周期執(zhí)行，這就是流水線沖突。因此為了更好的使程序的運(yùn)行按時(shí)完成，我們必須采取相應(yīng)的措施解決流水線相關(guān)引起的問(wèn)題，而Tomasulo算法就是解決該問(wèn)題的方法之一。2、對(duì)Tomasulo算法的理解Tomasulo算法的核心思想是：①記錄和檢測(cè)指令相關(guān)，操作數(shù)一旦就緒就立即執(zhí)行，把發(fā)生RAW沖突的可能性減少到最小；②通過(guò)寄存器換名來(lái)消除WAR沖突和WAW沖突。使用Tomasulo算法的流水線需3段：（1）流出：從指令隊(duì)列的頭部取一條指令。①如果該指令的操作所要求的保留站有空閑的，就把該指令送到該保留站（設(shè)為r）。②如果其操作數(shù)在寄存器中已經(jīng)就緒，就將這些操作數(shù)送入保留站r。③如果其操作數(shù)還沒(méi)有就緒，就把將產(chǎn)生該操作數(shù)的保留站的標(biāo)識(shí)送入保留站r。一旦被記錄的保留站完成計(jì)算，它將直接把數(shù)據(jù)送給保留站r。完成對(duì)目標(biāo)寄存器的預(yù)約工作，如果沒(méi)有空閑的保留站，指令就不能流出。執(zhí)行①當(dāng)兩個(gè)操作數(shù)都就緒后，本保留站就用相應(yīng)的功能部件開(kāi)始執(zhí)行指令規(guī)定的操作。②load和store指令的執(zhí)行需要兩個(gè)步驟：計(jì)算有效地址（要等到基地址寄存器就緒）；把有效地址放入load或store緩沖器。寫結(jié)果功能部件計(jì)算完畢后，就將計(jì)算結(jié)果放到CDB上，所有等待該計(jì)算結(jié)果的寄存器和保留（包括store緩沖器）都同時(shí)從CDB上獲得所需要的數(shù)據(jù)。3、Tomasulo算法的浮點(diǎn)處理部件的結(jié)構(gòu)Tomasulo算法的浮點(diǎn)處理部件包括：保留站（浮點(diǎn)加法器有3個(gè)保留站：ADD1，ADD2，ADD3；浮點(diǎn)乘法器有兩個(gè)保留站：MULT1，MULT2）、公共數(shù)據(jù)總線CDB、load緩沖器和store緩沖器、浮點(diǎn)寄存器FP、指令隊(duì)列、運(yùn)算部件（浮點(diǎn)加法器和浮點(diǎn)乘法器）4、保留站的結(jié)構(gòu)每個(gè)保留站有以下6個(gè)字段：①Op：要對(duì)源操作數(shù)進(jìn)行的操作。②Qj，Qk：將產(chǎn)生源操作數(shù)的保留站號(hào)。等于0表示操作數(shù)已經(jīng)就緒且在Vj或Vk中，或者不需要操作數(shù)。③Vj，Vk：源操作數(shù)的值。對(duì)于每一個(gè)操作數(shù)來(lái)說(shuō)，V或Q字段只有一個(gè)有效。對(duì)于load來(lái)說(shuō)，Vk字段用于保