一．流水线中的相关
实验目的：
1. 熟练掌握WinDLX模拟器的操作和使用，熟悉DLX指令集结构及其特点；
2. 加深对计算机流水线基本概念的理解；
3. 进一步了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作；
4. 加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对CPU性能的影响；
5. 了解解决数据相关的方法，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。
实验平台：
WinDLX模拟器
实验内容和步骤：
1.用WinDLX模拟器执行下列三个程序：
求阶乘程序fact.s
求最大公倍数程序gcm.s
求素数程序prim.s
分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序，观察程序在流水线中的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容。熟练掌握WinDLX的操作和使用。
2. 用WinDLX运行程序structure_d.s，通过模拟找出存在资源相关的指令对以及导致资源相关的部件；记录由资源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；论述资源相关对CPU性能的影响，讨论解决资源相关的方法。
3. 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。
在采用定向技术的情况下（勾选Enable Forwarding），用WinDLX再次运行程序data_d.s。重复上述3中的工作，并计算采用定向技术后性能提高的倍数。
1. 求阶乘程序
用WinDLX模拟器执行求阶乘程序fact.s 。这个程序说明浮点指令的使用。该程序从标准输入读入一个整数，求其阶乘，然后将结果输出。
该程序中调用了input.s中的输入子程序，这个子程序用于读入正整数。
实验结果：
在载入fact.s和input.s之后，不设置任何断点运行。
a.不采用重新定向技术，我们得到的结果
b.采用定向技术，我们得到的结果：
从上面的数据我们可以看出定向的作用：
在定向技术存在的情况下Statistics 窗口中的各种统计数字：总的周期数(215) 和暂停数 (17 RAW, 25 Control, 12 Trap; 54 Total)
在定向技术不存在时候，控制暂停和 Trap 暂停仍然是同样的值，而RAW暂停从17变成了53，总的模拟周期数增加到236。所以定向技术带来的加速比：
236 / 215 = 1.098
DLXforwarded比 DLXnot forwarded 快9.8%。
2.数据相关
先给出一个存在数据相关的程序：
LHI R2, (A>>16) & 0xFFFF
ADDUI R2, R2, A & 0xFFFF
LHI R3, (B>>16)&0xFFFF
ADDUI R3, R3, B&0xFFFF
loop:
LW R1, 0 (R2)
ADD R1, R1, R3
SW 0(R2), R1
LW R5, 0 (R1)
ADDI R5, R5, #10
ADDI R2, R2, #4
SUB R4, R3, R2
BNEZ R4, loop
TRAP #0
A: .word 0, 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32, 36
B: .word 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0
没有采用定向技术时运行该程序：得到
程序执行了202个周期，10个数据相关引起的时钟周期RAW stall为104个。
暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比=51.48%
采用定向技术时运行该程序：得到
程序执行了128个周期，共有6个数据相关引起的时钟周期RAW stall为30个。
暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比=23.44%
可见通过定向技术，减少了数据相关，缩短了程序的执行周期，整个性能为原来的1.57倍。
3.结构相关
下面这段程序存在结构相关
ADDI R5, R5, 1
ADDI R9, R9, 1
MULT R2,R3,R7
执行之后得到的clock cycle programe
Statistics:
可见1个结构相关引起了4个stall，占总共20个CYCLE 的20%
为了避免结构相关，可以考虑采用资源重复的方法，比如，在流水线机器中设置相互的指令存储器和数据存储器，也可以将CACHE分割成指令CACHE 和数据CACHE。
二．循环展开及指令调度
实验目的：
1. 加深对循环级并行性、指令调度技术、循环展开技术以及寄存器换名技术的理解；
2. 熟悉用指令调度技术来解决流水线中的数据相关的方法；
3. 了解循环展开、指令调度等技术对CPU性能的改进。
实验平台：
WinDLX模拟器
实验内容和步骤：
1．用指令调度技术解决流水线中的结构相关与数据相关
（1）用DLX汇编语言编写代码文件*.s，程序中应包括数据相关与结构相关（假设：加法﹑乘法﹑除法部件各有2个，延迟时间都是3个时钟周期）
（2）通过Configuration菜单中的“Floating point stages” 选项，把加法﹑乘法﹑除法部件的个数设置为2个，把延迟都设置为3个时钟周期；
（3）用WinDLX运行程序。记录程序执行过程中各种相关发生的次数、发生相关的指令组合，以及程序执行的总时钟周期数；
（4）采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除相关；
（5）用WinDLX运行调度后的程序，观察程序在流水线中的执行情况，记录程序执行的总时钟周期数；
（6）根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。论述指令调度对于提高CPU性能的意义。
2. 用循环展开、寄存器换名以及指令调度提高性能
（1）用DLX汇编语言编写代码文件*.s，程序中包含一个循环次数为4的整数倍的简单循环；
（2）用WinDLX运行该程序。记录执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数；
（3）将循环展开3次，将4个循环体组成的代码代替原来的循环体，并对程序做相应的修改。然后对新的循环体进行寄存器换名和指令调度；
（4）用WinDLX运行修改后的程序，记录执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数；
（5）根据记录结果，比较循环展开、指令调度前后的性能。
3)存在相关的程序
1.指令调度：
首先，通过Configuration菜单中的“Floating point stages”选项，把除法单元数设置为3，把加法﹑乘法﹑除法的延迟设置为3个时钟周期。
给出调度前的程序sch_bef:
.data
.global ONE
ONE: .word 1
.text
.global main
main:
lf f1,ONE ;turn divf into a move
cvti2f f7,f1 ;by storing in f7 1 in
nop ;floating-point format
divf f1,f8,f7 ;move Y=(f8) into f1
divf f2,f9,f7 ;move Z=(f9) into f2
addf f3,f1,f2
divf f10,f3,f7 ;move f3 into X=(f10)
divf f4,f11,f7 ;move B=(f11) into f4
divf f5,f12,f7 ;move C=(f12) into f5
multf f6,f4,f5
divf f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13)
Finish:
trap 0
运行之后可以得到结果：
调度之后的程序sch_aft:
.data
.global ONE
ONE: .word 1
.text
.global main
main:
lf f1,ONE ;turn divf into a move
cvti2f f7,f1 ;by storing in f7 1 in
nop ;floating-point format
divf f1,f8,f7 ;move Y=(f8) into f1
divf f2,f9,f7 ;move Z=(f9) into f2
divf f4,f11,f7 ;move B=(f11) into f4
divf f5,f12,f7 ;move C=(f12) into f5
addf f3,f1,f2
multf f6,f4,f5
divf f10,f3,f7 ;move f3 into X=(f10)
divf f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13)
Finish:
trap 0
运行之后得到：
可以看出经过调度之后
运行周期从27减少到21，而且减少了相关。
2.循环展开：
循环展开前的程序：
ADDUI R2, R2, A&0xFFFF
LHI R3, (B>>16)&0xFFFF
ADDUI R3, R3, B&0xFFFF
ADDU R4, R0, R3
SUBI R4, R4, #8
SUB R5, R4, R2
BNEZ R5, loop
TRAP #0
A: .double 1, 2, 3, 4
B: .double 1, 2, 3, 4
运行结果：
循环展开后的程序：
ADDUI R2, R2, A&0xFFFF
LHI R3, (B>>16)&0xFFFF
ADDUI R3, R3, B&0xFFFF
ADDU R4, R0, R3
SUBI R4, R4, #8
SUBI R4, R4, #8
SUBI R4, R4, #8
SUBI R4, R4, #8
TRAP #0
A: .double 1, 2, 3, 4
B: .double 1, 2, 3, 4
运行结果：
可以看出经过循环展开之后
运行周期从30减少到14，而且减少了相关。
三．实验总结：
通过本实验，基本掌握了WinDLX模拟器的操作和使用，熟悉DLX指令集结构及其特点，对减少各种相关、提高流水线速度的方法和技术有了更深的认识，对于体系结构这门课程的学习和后面的实验还是很有帮助的。
