2023年Tomasulo算法实验报告.pdf

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1、高级计算机系统结构T om a s u1 0算法实验报告T om a sulo算法实验一、实验目的(1)加深对指令集并行性及开发的理解。(2)加深对T o m a s u l o算法的理解。.(3)掌握T o m u l o算法在指令流出、执行、写结果各阶段对浮点操作指令以及l o a d和s t o r e指令进行什么解决。(4 )掌握采用了 T o m a s u l o算法的浮点解决部件的结构。(5)掌握保存站的结构。(6)给定被执行代码片段，对于具体某个时钟周期，可以写出保存站、指令状态表以及浮点寄存器状态表内容的变化情况。二、实验平台采用T o m a s u l o算法模拟器。T

2、o m a s u l o算法基本思想:记录和检测指令相关，操作数一旦就绪就立即执行，把发生R A W冲突的也许性减少到最小；通过寄存器换名来消除WA R冲突和WA W冲突。三、实验内容和环节实验一(1 )学会使用T o m a s u l o算法。假设浮点功能部件的延迟时间为加减法2个周期,乘法1 0个时钟周期，除法4 0个时钟周期，1 oad部件2个时钟周期。对于下面的代码段，给出当指令M U L.D写结果时，保存站、l o a d缓冲器以及寄存器状态表中的内容。L .D F 6 ,2 4(R2)L .D F 2 ,1 2(R3)M U L .D F O ,F 2,F 4S U B.DF

3、8,F 6,F 2DIV.D F10,F0,F 6ADD.D F6,F8,F2按步进方式执行上述代码，运用模拟器的“小三角按钮”的对比显示功能，观测每一个时钟周期前后各信息表中内容的变化情况。(2)对与上面相同的延迟时间和代码段。给出在第3个时钟周期时，保存站、load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。步 进5个时钟周期，给出这时保存站、lo a d缓冲器以及寄存器状态表中的内容。再步进10个时钟周期，给出这时保存站、lo ad缓冲器以及寄存器状态表中的内容。实验二假设浮点功能部件的延迟时间为加减法3个时钟周期，乘 法8个时钟周期，除法4 0个时钟周期。对于下面的代码反复实验一中环节(2)的内容

4、。编写代码如下：L.D F 6,28(R2)ADD.D F2,F4,F8MU L.D F0,F2,F4SUB.D F8,F6,F2DIV.D F 1 2,F0,F6ADD.D F10,F8,F2四、实验结果及分析说明:R X 表达寄存器X的内容,My表达存储器存储单元y的内容：实验一实验二M1=M R R 2+2 4 M 2=M RR3+12M3=M1-M2M4=M3+M2M5=M2*RF4M6=M5/M1R R 2+2 8 M 2=R F 4+R F 8 M3=M1-M2M4=M3+M2M 5=M 2*RF4M6=M5/M1实验一结果浮点功能部件的延迟时间为加减法2个周期，乘 法1 0个时钟

5、周期，除 法4 0个时钟周期，1。a d部 件2个时钟周期，根据实验结果可知程序所有执行完需要57个时钟周期。指令 _ 流出 _执行_ 写结果L.DF 6，24 0R2)1234L.DF 2,12(R3)2345MULT.D F0.F2.F4361516SUB.DF8.F6.F248DIV.DF10,F0 F65175657ABD.DF6.F8.F269 r o111 ）当指令M U L.D写结果时，保存站、1 0a d缓冲器以及寄存器状态表中的内容。根据实验结果得出MUL.D写结果时是第1 6个周期，此时各部件的状态如下所示:其指令执行状态如下:指令流出执行写结果L.D F6,24 CR2)

6、1234L.D F 2 12 3)2345MULT.D F0.F2.F4361516SUB.D F8 F6 F246 18DIV.D F10.F0.F65ADD.D F6.F8,F2611其保存站内容如下:“n o ，而D I V.D尚未执行完,所以保存站M u l t 2仍处在忙碌状态。l o a d缓冲器内容:名称B u sy地址值Lo a d lNoLoNoLoa.d3No分析：此 时L o d a缓冲器处在闲置状态，由于只有前两条指令需要计算地址,而前两条指令在第5个周期时已经执行完，所以指导程序运营完的所有周期中该部件都是处在闲置状态的。寄存器内容：字段FOF2F4F6F8F10F1

7、2QiMultiLoad2Add2AddlMult2值M 5M 2M 4M 32）第3个时钟周期时，保存站、1 o a d缓冲器以及寄存器状态表中的内容。指令状态指令 流出 执行 _ 写结果一 上 -一-、上一 -L.D F6,24(R2)123L.D F2,12CR3)23MULT.D FO,F2.F43SUB.D F8.F6.F2DIV.D F10 FO-F6ADD.D F6,F8 F2保存站内容Time 名称 Busy Op Vj Vk QjAddlNoAdd2NoAdd3NoMultiYesMULT.DRF4Load2HuLt2No分析：第3个时钟周期时M ULT.D指令流出,所以保存

8、站的M u l t i处在忙碌状态。I o ad缓冲器内容:名称 Busy 地址 值LoadlYesRR2+24MRB2+24Load2YesRR3+12Load3No分析：第3个时钟周期时前两条去操作数的指令还为执行完，所 以l o ad缓冲器的前两个缓冲器处在忙状态。寄存器字 段F0F2F4F6F8F10F12QiM u ltiLoad2L oadl值3）步进5个时钟周期，给出这时保存站、l o a d缓冲器以及寄存器状态表中的内容。步 进5个时钟周期后，是程序执行的第8个周期，此时各部件的状态如下:指 令 状 态（此 时SUB.D指令恰好执行完毕）指 令流出执行写结果L.DF6,24 C

9、R2)1234L.DF2,12(R3)2345MULT.D FO.F2.F436SUB.DF8 F6 F246 r8DIV.DF10 FO F65ADD.DF6-F26保存站内容Time名称BusyO pV jV kQ jQ kAddlN oAdd2YesA D D.DM 3M 2Add3N o7MultiYesM U L T.DM 2RF4Mult2YesDIV.DM lMulti分析：第8个周期时L.D和SU B.D三条指令执行完毕，其余三条未完毕,所以保存站中仍有其他三条的信息。1 o ad缓冲器内容：名称Busy地址值LoadlNoLoad2HoLoad3No寄存器内容字段FOF2F4

10、F6F8F10F12QiM ultiLoad2Add2AddlMult2值M2MlM34）再步进1 0个时钟周期，这时处在执行周期的第1 8个周期，这时保存站、1。ad缓冲器以及寄存器状态表中的内容:指令状态指 令 流出 执 行 写 结 果L.D F6,24 052)1234L.D F2 12(R3)2345MULT.D F0.F2.F436 1516SUB.D F8 F6 F24678DIV.D F10 FO F6517ADD.D F6 F8 F269 1011分析:第1 8个周期时只剩下D I V.D指令未执行完，并且此时正处在执行的等待阶段。保存站Time名称BusyO pV jV kQ

11、 jQ kAddlN oAdd2N oAdd3N oMultiN o38Mult2YesDIV.DM 5M l分析：此时其余指令所有执行完毕，只有D I V.D 尚未执行完,所以只有保存站 M u 1 t 2仍处在忙碌状态。Lo ad 缓冲器名称 Busy 地址 值LoadlNoLoad2NoLoad3No寄存器字段 FO F2 F4 F6 F8 F10 F12QiM ultiLoad2Add2AddlMult2值M5M2M4M3实验二结果浮点功能部件的延迟时间为加减法3个周期，乘 法 8个时钟周期，除法4 0个时钟周期，1。ad 部 件 2个时钟周期。根据实验结果可知该程序需要5 6 个周期

12、执行完毕。（分析与实验一类似，不再赘述）指令流出执行写结果L.D F6 28(R2)1234ADD.D F2 F4 F823、6MULT.D FO F2 F437 1415SUB.D F8-F247910DIV.D F12,FO,F65165556ADD.D F iO.F 8.F 26111314(1)第 3 个时钟周期时，保存站、load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。指令状态指令流出执行写结果L.D F6 28(R2)123ADD.D F2 F4 F823MULT.D FO F2 F43SUB.D F8 F6 F2DIV.D F12 FO F6ADD.D F10.F8 J F2保存站Tim

13、e名称BusyO pV jV kQ jQ k2AddlYesA D D.DRF4RF8Add2N oAdd3N oMultiYes M U L T.DRF4AddlMult2N oload缓冲器内容:名 称 B usy 地 址 值L o ad lY esR R 2+28M R R 2+28L oad2NoL oad3No寄存器内容字 段 FO F2 F4 F6 F8 F10 F12QiM ultiAddlL oadl值L-(2)步进5 个时钟周期，给出这时保存站、load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。指令状态:指令 流出 执葭 写结果L.D F6,28(R2)1234ADD.D F2,F 4

14、,F823、6MULT.D FO F2 F437SUB.D F8 F6 J F247DIV.D F12 J FO F65ADD.D F10 J F 8/F26保存站内容:Time名称BusyOpVjVkQjQkAddlYesADD.DM 2Add21Add2YesSUB.DM lM 2Add3N o6MultiYesM ULT.DM 2RF4Mult2YesDIV.DM lMultiL oad部件内容:名 称B usy地 址值L o ad lNoL oad2NoL oad3No寄存器部件内容:字段 FO F2 F4 F6 F8 F10 F12QiMultiAddlLoadlAdd2AddlMu

15、lt2值M 2Hl(3)再步进10个时钟周期，给出这时保存站、1 oad缓冲器以及寄存器状态表中的内容。指令状态:指令 流出 执行 写结果L.D F6,28 CR2)1234AM.D F2,F4,F823、6MULT.D FO,F2,F4371415SUB.D F8 F6 F247910DIV.D F12,FO F6516ADD.D F10 F8 F261P1314保存站内容:Time 名称 Busy Op Vj Vk Qj QkAddlNoAdd2NoAdd3NoM ultiNo37Mult2YesDIV.DM5Mla d部件内容：名 称 Busy 地 址 值LoadlNoLoad2KoLo

16、ad3Ko寄存器部件内容:字段FOF2F4F6F8F10F12QiMultiAddlLoadlAdd2AddlMult2值M 5M 2MlM 3M 4五、实验总结1.对并行性的理解流水线使指令重叠并行执行，可以达成提高性能的目的，假如指令间没有相关性，可以并行执行，例如程序中前两个指令的流出和执行阶段，第二周期时第二条LOAD.D的流出和第一条LOAD.D的执行同时进行，从而提高了指令执行的效率。但是由于程序之间的互相依赖性，使得流水线中指令流的下一条指令不能在指定的时钟周期执行，这就是流水线冲突。因此为了更好的使程序的运营准时完毕，我们必须采用相应的措施解决流水线相关引起的问题，而Tomas

17、 u lo算法就是解决该问题的方法之一。2、对Tomasulo算法的理解Tomas u 1。算法的核心思想是：记录和检测指令相关，操作数一旦就绪就立即执行，把发生RAW冲突的也许性减少到最小;通过寄存器换名来消除WAR冲突和WAW冲突。使 用Tom a sulo算法的流水线需3段：(1 )流出：从指令队列的头部取一条指令。假如该指令的操作所规定的保存站有空闲的，就把该指令送到该保存站(设为r)假如其操作数在寄存器中已经就绪，就将这些操作数送入保存站r。假如其操作数还没有就绪，就把将产生该操作数的保存站的标记送入保存站r。一旦被记录的保存站完毕计算，它将直接把数据送给保存站r。完毕对目的寄存器的

18、预约工作，假如没有空闲的保存站，指令就不能流出。（2）执行当两个操作数都就绪后，本保存站就用相应的功能部件开始执行指令规定的操作。load和 s t o r e 指令的执行需要两个环节:计算有效地址（要等到基地址寄存器就绪）;把有效地址放入lo a d 或 store缓冲器。（3）写结果功能部件计算完毕后，就将计算结果放到CDB上，所有等待该计算结果的寄存器和保存（涉及store缓冲器）都同时从CDB上获得所需要的数据。3、Tom a sulo算法的浮点解决部件的结构Tomasul。算法的浮点解决部件涉及：保存站（浮点加法器有3 个保存站：ADD 1 ,ADD2,ADD3；浮点乘法器有两个保存

19、站：MULTI,MULT2）、公共数据总线C D B、load缓冲器和s to re 缓冲器、浮点寄存器FP、指令队列、运算部件（浮点加法器和浮点乘法器）4、保存站的结构每个保存站有以下6 个字段：0 P:要对源操作数进行的操作。Q，Q k：将产生源操作数的保存站号。等 于 0 表达操作数已经就绪且在Vj或 Vk中,或者不需要操作数。Vj,Vk:源操作数的值。对于每一个操作数来说，V 或 Q 字段只有一个有效。对于1 oad来说，Vk字段用于保存偏移量。Busy：为“ye s”表达本保存站或缓冲单元“忙工A：仅 load和 s to r e 缓冲器有该字段。开始是存放指令中的立即数字段，地址计算后存放有效地址。Qi:寄存器状态表。每个寄存器在该表中有相应的一项，用于存放将把结果写入该寄存器的保存站的站号。为（）表达当前没有正在执行的指令要写入该寄存器，也即该寄存器中的内容就绪。