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计算机系统结构实验四-Tomasulo算法

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简介：
本实验通过实现Tomasulo算法，探索现代处理器中动态调度和资源共享的技术。学生将掌握并行计算中的关键概念与应用。 ### 计算机系统结构-实验四 Tomasulo算法 #### 实验目的 通过本次实验，学生将能够： 1. **深化理解**：加强对指令集并行性和如何开发这些并行性的理解。 2. **深入研究Tomasulo算法**：更好地理解Tomasulo算法的核心原理及其在现代处理器设计中的应用。 3. **掌握处理机制**：了解Tomasulo算法在不同阶段（如指令流出、执行、写结果等）是如何处理浮点操作指令、load和store指令的。 4. **理解硬件架构**：熟悉采用Tomasulo算法的浮点处理部件的具体结构。 5. **学习保留站结构**：掌握保留站的结构和工作原理。 6. **实践能力培养**：能够在给定特定代码片段的情况下，分析并记录出每个时钟周期内保留站、指令状态表以及浮点寄存器状态表内容的变化情况。 #### 实验平台 - **MIPSsim**：一种用于指令级和流水线操作级模拟的工具，适用于本实验中的模拟和分析需求。 #### 实验内容和步骤 ##### 第一部分：代码段分析 考虑以下代码段： ```asm L.D F6, 24(R2) L.D F2, 12(R3) MUL.D F0, F2,F4 SUB.D F8,F6,F2 DIV.D F10,F0,F6 ADD.D F6,F8,F2 ``` 假设浮点功能部件的延迟时间分别为：加减法 2 个周期，乘法 10 个时钟周期，除法 40 个时钟周期，load 部件 2 个时钟周期。 1. **指令 MUL.D 写结果时的状态分析**： - **指令状态**： - `L.D F6,24(R2)`：CP 1 → CP 2-3 → CP 4 - `L.D F2,45(R3)`：CP 2 → CP 3-4 → CP5 - `MUL.D F0,F2,F4`：CP 3 → CP 6-15 → CP 16 - `SUB.D F8,F2,F6`：CP 4 → CP 6-7 → CP 8 - `DIV.D F10,F0,F6`：CP 5 - `ADD.D F6,F8,F2`：CP 6 → CP 9-10 → CP 11 - **保留站内容**： - Add1：No - Add2：No - Add3：No - Mult1：No - Mult2：Yes (DIV.D D3 D10 0) - Load1：No - Load2：No - Load3：No - **Load缓冲器内容**： - Load1：No - Load2：No - Load3：No - **寄存器状态表**： - F0：0 - F2：0 - F4：0 - F6：Mult2 (值 D3) - F8：0 - F10：0 - F12：Qi 0000 2. **步进5个时钟周期后的情况**： - **指令状态**： - `L.D F6,24(R2)`：CP 1 → 执行完成 - `L.D F2,45(R3)`：CP 2 → 剩余 1 CP - `MUL.D F0,F2,F4`：CP 3 - `SUB.D F8,F2,F6`：CP 4 → 剩余 2 CP - `DIV.D F10,F0,F6`：CP 5 - `ADD.D F6,F8,F2`：CP 6 - **保留站内容**： - Add1：No - Add2：Yes (ADD.D D4 D2 0) - Add3：No - Mult1：Yes (MUL.D D2 R[F4] 0) - Mult2：Yes (DIV.D D1 Mult1 0) - **Load缓冲器内容**： - Load1：Yes (L.D R[R2]+24) - Load2：Yes (L.D R[R3]+12) - Load3：No - **寄存器状态表**： - F0：0 - F2：Mult1 - F4：Load

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  • 计算机系统结构实验四-Tomasulo算法
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    本实验通过实现Tomasulo算法，探索现代处理器中动态调度和资源共享的技术。学生将掌握并行计算中的关键概念与应用。 ### 计算机系统结构-实验四 Tomasulo算法 #### 实验目的 通过本次实验，学生将能够： 1. **深化理解**：加强对指令集并行性和如何开发这些并行性的理解。 2. **深入研究Tomasulo算法**：更好地理解Tomasulo算法的核心原理及其在现代处理器设计中的应用。 3. **掌握处理机制**：了解Tomasulo算法在不同阶段（如指令流出、执行、写结果等）是如何处理浮点操作指令、load和store指令的。 4. **理解硬件架构**：熟悉采用Tomasulo算法的浮点处理部件的具体结构。 5. **学习保留站结构**：掌握保留站的结构和工作原理。 6. **实践能力培养**：能够在给定特定代码片段的情况下，分析并记录出每个时钟周期内保留站、指令状态表以及浮点寄存器状态表内容的变化情况。 #### 实验平台 - **MIPSsim**：一种用于指令级和流水线操作级模拟的工具，适用于本实验中的模拟和分析需求。 #### 实验内容和步骤 ##### 第一部分：代码段分析 考虑以下代码段： ```asm L.D F6, 24(R2) L.D F2, 12(R3) MUL.D F0, F2,F4 SUB.D F8,F6,F2 DIV.D F10,F0,F6 ADD.D F6,F8,F2 ``` 假设浮点功能部件的延迟时间分别为：加减法 2 个周期，乘法 10 个时钟周期，除法 40 个时钟周期，load 部件 2 个时钟周期。 1. **指令 MUL.D 写结果时的状态分析**： - **指令状态**： - `L.D F6,24(R2)`：CP 1 → CP 2-3 → CP 4 - `L.D F2,45(R3)`：CP 2 → CP 3-4 → CP5 - `MUL.D F0,F2,F4`：CP 3 → CP 6-15 → CP 16 - `SUB.D F8,F2,F6`：CP 4 → CP 6-7 → CP 8 - `DIV.D F10,F0,F6`：CP 5 - `ADD.D F6,F8,F2`：CP 6 → CP 9-10 → CP 11 - **保留站内容**： - Add1：No - Add2：No - Add3：No - Mult1：No - Mult2：Yes (DIV.D D3 D10 0) - Load1：No - Load2：No - Load3：No - **Load缓冲器内容**： - Load1：No - Load2：No - Load3：No - **寄存器状态表**： - F0：0 - F2：0 - F4：0 - F6：Mult2 (值 D3) - F8：0 - F10：0 - F12：Qi 0000 2. **步进5个时钟周期后的情况**： - **指令状态**： - `L.D F6,24(R2)`：CP 1 → 执行完成 - `L.D F2,45(R3)`：CP 2 → 剩余 1 CP - `MUL.D F0,F2,F4`：CP 3 - `SUB.D F8,F2,F6`：CP 4 → 剩余 2 CP - `DIV.D F10,F0,F6`：CP 5 - `ADD.D F6,F8,F2`：CP 6 - **保留站内容**： - Add1：No - Add2：Yes (ADD.D D4 D2 0) - Add3：No - Mult1：Yes (MUL.D D2 R[F4] 0) - Mult2：Yes (DIV.D D1 Mult1 0) - **Load缓冲器内容**： - Load1：Yes (L.D R[R2]+24) - Load2：Yes (L.D R[R3]+12) - Load3：No - **寄存器状态表**： - F0：0 - F2：Mult1 - F4：Load
     
  • 华东理工大学计算机体系结构实验二：Tomasulo算法实验
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    本实验为华东理工大学计算机体系结构课程的一部分，侧重于Tomasulo算法的学习与实践。学生通过模拟实现动态数据流技术，深入理解现代处理器中如何高效解决数据冲突和指令依赖问题。 华东理工大学计算机体系结构实验二涵盖了Tomasulo算法的三个部分，并详细解释了每个部分的内容。
     
  • Python实现的计算机体系结构Tomasulo算法模拟.zip
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    本项目为一个使用Python语言编写的模拟程序，旨在展示Tomasulu算法在计算机体系结构中的应用。通过该模拟，用户可以深入了解动态数据流技术及其优化指令执行流程的作用机制。 使用Python和Tkinter实现Tomasulo算法的可视化模拟。
     
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    本实验报告详细记录了在“计算机系统结构”课程中进行的各项实验内容，包括实验目的、原理、步骤及结果分析。通过具体操作和实践，加深对计算机硬件体系的理解与掌握。 该文档为PDF格式，旨在帮助后辈们更好地理解实验内容。这份电子科技大学计算机学院的计算机系统结构实验报告涵盖了流水线CPU的仿真以及解决数据冒险和控制冒险的内容，最终得分99分。
     
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    《计算机系统结构实验文档》包含了多个关于计算机硬件和操作系统交互设计的实践项目和实验指导，帮助学生深入理解计算机系统的运作原理。 计算机系统结构实验报告的主要目标是通过模拟器实现任意地址流下的 Cache-主存两层存储层次上的命中率计算。该实验使学生能够深入了解虚拟存储层次结构，并熟练掌握常见的几种存储地址映射与变换方法，以及 FIFO、LRU 等替换算法的工作过程。 在本次实验中，我们实现了 Cache 和主存的两层存储层次结构，涵盖了 Cache 映象方式的选择（全相联、直接映象和组相联），并采用 LRU 替换算法。此外，Cache 的大小与主存的大小均可通过输入进行调整以观察不同条件下系统性能的变化。 实验结果包括命中率计算以及替换过程的具体情况。为实现这些功能，在代码中使用了结构体数组来表示 Cache 和主存的状态，并定义了一个名为 `CacheUpdate` 的结构体包含三个成员变量：value（序列号）、state（是否装入状态）和 counter（计数器）。此外，还有一个用于保存整个 Cache 更新状况的 table 数组、一个记录输入访问序列的 sortNumbers 数组以及一个用来计算命中率的 rate 变量。 通过本实验的学习与实践，学生能够掌握多种算法和技术的应用方法，如 Cache 映象方式选择、LRU 替换策略及数组操作等，并进一步理解 Cache-主存两层存储层次结构的工作原理。该实验涵盖的知识点包括： 1. **Cache-主存两层存储层次结构**：这是计算机系统架构中的一个重要组成部分，其中高速缓存（Cache）用于存放最近访问的数据以优化性能；而作为主要数据仓库的主内存则负责保存所有信息。 2. **Cache 映象方式**：主要有全相联、直接映射和组关联三种类型。每种类型的特性与适用场景各有不同，直接影响到 Cache 的效率及复杂度。 3. **LRU 替换算法**：当需要替换缓存中的数据时，选择最长时间未被访问的数据进行置换的一种策略；通过维护一个计数器来跟踪每个块的使用频率实现这一目的。 4. **命中率计算**：衡量 Cache 性能的重要指标之一。它反映了在所有请求中直接从 Cache 中获取所需信息的比例大小。 5. **数据结构与算法的应用**：实验过程中涉及到了诸如结构体数组、基本数组操作以及 LRU 算法等关键技术，这些都是计算机系统设计中的基础内容和技术手段。
     
  • 北京邮电大学计算机系统结构实验（第四次）
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    本课程为北京邮电大学计算机系统结构系列实验之一，侧重于操作系统与体系架构相关实践操作，旨在通过具体实验加深学生对理论知识的理解和应用能力。 北邮计算机系统结构实验4的实验报告涵盖了代码优化的内容。
     
  • 计算机系统结构实验报告分析
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    本实验报告深入探讨了计算机系统结构中的关键概念和实践操作，包括处理器设计、存储层次结构及并行处理技术等，并对实验结果进行了细致分析。 实验一 Cache性能分析 1.1 实验目的 1.2 实验平台 1.3 实验内容及步骤 1.4 实验总结与心得 实验二 MIP指令系统MIP体系结构 2.1 实验目的 2.2 实验平台 2.3 实验内容和步骤 2.4 实验总结与心得 实验三 流水线及流水线中的冲突 3.1 实验目的 3.2 实验平台 3.3 实验内容和步骤 3.4 实验总结与心得 实验四 指令调度和延迟分支 4.1 实验目的 4.2 实验平台 4.3 实验内容和步骤 4.4 实验总结与心得
     
  • Tomasulo算法实验报告分析
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    本实验报告深入分析了Tomasulo算法在动态指令调度中的应用，探讨了其如何有效解决数据冲突和提高处理器性能，并通过具体实例验证了该算法的优势。 这段文字描述的是高级计算机体系结构课程的内容，其中包括Tomasulo算法的原理讲解以及两个基于该算法的模拟器实验，并详细解释了每个步骤的操作方法。
     
  • 计算机体系结构实验三：多Cache一致性算法
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    本实验旨在探索和实现多种Cache一致性协议，深入理解分布式存储系统中的数据同步机制与挑战。 在计算机体系结构实验3中，我们将深入探讨多cache一致性算法这一现代计算机系统中的核心问题。多处理器环境中每个处理器通常配备自己的缓存来提高数据访问速度；然而，在多个缓存中存储同一主内存地址的数据副本时可能会出现一致性问题。 本实验的目标是通过模拟器熟悉监听法和目录法这两种解决多cache一致性的方法，理解其原理，并掌握如何在不同读写序列下模拟cache块的状态变化。以监听法为例，每个处理器的缓存都会监控总线上的主内存访问请求；当数据发生变化时，它会向共享总线上发送信号来通知其他缓存在该数据副本上采取相应动作（如无效化或更新）。实验通过一系列读写操作演示了cache块状态的变化过程，包括替换、写回以及从独占到共享、再到无效的转换。 具体来说，在监听法中模拟时记录了每次访问的操作类型（例如读取还是写入）、是否发生缓存替换和数据写回情况及cache块的状态变化。如当CPU A读内存第5个块并将内容加载进Cache A的第一位置，由于没有产生冲突所以新信息直接被送至处理器而该块处于共享状态；之后如果另一个处理器（比如CPU B）对该区域执行写操作，则会更新缓存中的数据并使其他拥有相同副本的cache标记为无效。 对于目录法模拟而言，涉及一个中央管理器来跟踪所有缓存在内存中特定位置的数据一致性。当某处理单元需要访问或修改某个地址时，该控制器根据当前状态和请求性质协调各个处理器间的一致性维护工作。例如，在首次读取第6个块数据期间如果发生不命中，则CPU A需向中央目录发出请求；随后由对应内存模块响应后将信息返回给发起者，并且在共享集合中记录下访问者的标识（如{A}）。若后续有其他处理器尝试写入该位置的数据，它需要通知所有拥有副本的节点将其失效化并更新自身缓存状态。 通过此项实验安排，学生能够掌握如何利用模拟器来展示不同一致性算法下的cache行为，并了解到在多核环境中的数据一致性维持策略。这不仅加深了对多cache一致性的理解，也为未来研究和设计提供指导意义。