WinDLX实验报告-计算机体系结构作业

简介：
实验内容1：用WinDLX运行程序structure_d.s，通过模拟： 找出存在结构相关的指令对以及导致结构相关的部件； 记录由结构相关引起的暂停时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比； 论述结构相关对CPU性能的影响，讨论解决结构相关的方法。2：在不采用定向技术的情况下（去掉Configuration菜单中Enable Forwarding选项前的勾选符），用WinDLX运行程序data_d.s。记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的总时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。### WinDLX实验报告知识点梳理#### 实验背景与目的- **实验工具**：WinDLX是一款用于模拟DLX架构计算机的软件平台，能够帮助用户深入理解计算机体系结构的基本原理，尤其是关于流水线处理机制及其相关问题。- **实验目的**： - 掌握计算机流水线的基本概念。 - 深入了解DLX流水线中各阶段的具体功能。 - 分析不同指令在流水线中的执行流程。 - 对流水线的性能进行评估。 - 理解影响流水线效率的关键因素，包括数据相关、结构相关、控制相关等类型。 - 学习如何解决数据相关问题。#### 实验内容与结果分析##### 实验2: 结构相关的分析- **实验目标**：识别结构相关，计算由此导致的暂停周期数，并探讨解决方案。- **实验过程与结果**： - **指令冲突示例**： - `Adddf0, f0, f4` 在译码阶段需要操作IR（指令寄存器），同时 `adddf2, f0, f2` 的取指周期需要将指令存入IR，因此两者发生了冲突。 - 同样地，`Adddf2, f0, f2` 在执行浮点运算时占用ALU两个周期，而 `addd r2, r2, ox8` 在执行时无法使用ALU，这同样引发了冲突。 - **总结**： - 由于结构相关导致的暂停周期数总计为55个周期。 - 总执行周期数为139个周期。 - 暂停周期数占总执行周期数的比例为39.6%。 - **分析与解决方法**： - 结构相关会导致流水线停滞，从而降低CPU的处理效率。 - 解决方案之一是在流水线中插入暂停周期（即所谓的“流水线气泡”）来避免冲突。 - 另一种方法是设置独立的指令存储器和数据存储器，或是独立的指令缓存和数据缓存，以此减少因资源竞争导致的冲突。##### 实验3: 数据相关的分析- **实验条件**：在禁用定向技术的情况下进行。- **实验过程与结果**： - **数据冲突示例**： - `LHI R2, (A >> 16) & 0xFFFF` 和 `ADDUI R2, R2, 0x134` 之间的冲突源于前者在译码阶段未能完成对R2的写回，而后者在取指阶段需要读取R2的数据。 - 其他类似冲突还包括 `LHI R3, 0x0` 和 `ADDUI R3, R3, 0x15c`，`LW R1, 0(R2)` 和 `ADD R1, R1, R3` 等。 - **总结**： - 由于数据相关导致的暂停周期数总计为104个周期。 - 总执行周期数为202个周期。 - 暂停周期数占总执行周期数的比例为51.48%。 - **分析**：数据相关同样会显著影响CPU的性能，特别是在禁用了定向技术的情况下。##### 实验4: 定向技术的效果评估- **实验条件**：启用定向技术。- **预期结果**： - 相对于实验3，在启用定向技术之后，预期数据相关的冲突将得到缓解，从而减少暂停周期数并提高整体性能。#### 总结与展望- 本系列实验通过具体的案例分析了计算机体系结构中常见的性能瓶颈问题，特别是结构相关和数据相关对CPU性能的影响。- 实验结果表明，通过适当的优化措施，如定向技术的应用，可以有效地缓解这些问题，进而提高系统的整体性能。- 未来的研究可以进一步探索更高级的优化策略和技术，例如预测分支技术、多级缓存管理等，以实现更加高效的处理器设计。