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处理器结构实验二.docx

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.26M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    一、实验目的
    二、实验内容
    三、实验环境
    四、实验步骤及说明
    五、实验结果
    六、实验总结与体会
    深 圳 大 学 实 验 报 告 课 程 名 称： 计算机系统(3) 实验项目名称： 处理器结构实验二 学 专 院： 计算机与软件学院 业： 计算机科学与技术 指 导 教 师： 报告人： 学号： 班级： 实 验 时 间： 2017 年 12 月 4 日 实验报告提交时间： 2017 年 12 月 18 日 教务处制
    一、实验目的 了解控制冒险分支预测的概念 了解多种分支预测的方法，动态分支预测更要深入了解 理解什么是 BTB（Branch Target Buffer），并且学会用 BTB 来优化所给程序 利用 BTB 的特点，设计并了解在哪种状态下 BTB 无效 了解循环展开，并于 BTB 功能进行对比 对 WinMIPS64 的各个窗口和操作更加熟悉 二、实验内容 按照下面的实验步骤及说明，完成相关操作记录实验过程的截图： 首先，给出一段矩阵乘法的代码，通过开启 BTB 功能对其进行优化，并且观察流 水线的细节，解释 BTB 在其中所起的作用； 其次，自行设计一段使得即使开启了 BTB 也无效的代码。 第三，使用循环展开的方法，观察流水因分支停顿的次数减少的现象，并对比采用 BTB 结构时流水因分支而停顿的次数。 （选做：在 x86 系统上编写 C 语言的矩阵乘法代码，用 perf 观察分支预测失败次 数，分析其次数是否与你所学知识吻合。再编写前面第二部使用的令分支预测失败的代 码，验证 x86 是否能正确预测，并尝试做解释） 三、实验环境 硬件：桌面 PC 软件：Windows 四、实验步骤及说明 背景知识 在遇到跳转语句的时候，我们往往需要等到 MEM 阶段才能确定这条指令是否跳转（通 过硬件的优化，可以极大的缩短分支的延迟，将分支执行提前到 ID 阶段，这样就能够将分 支预测错误代价减小到只有一条指令），这种为了确保预取正确指令而导致的延迟叫控制冒 险（分支冒险）。 为了降低控制冒险所带来的性能损失，一般采用分支预测技术。分支预测技术包含编译 时进行的静态分支预测，和执行时进行的动态分支预测。这里，我们着重介绍动态分支预测 中的 BTB（Branch Target Buffer）技术。 BTB 即为分支目标缓冲器，它将分支指令（对应的指令地址）放到一个缓冲区中保存 起来，当下次再遇到相同的指令（跳转判定）时，它将执行和上次一样的跳转（分支或不分 支）预测。 一种可行的 BTB 结构示意图如下： 深圳大学学生实验报告用纸
    在采用了 BTB 之后，在流水线各个阶段所进行的相关操作如下： 注意，为了填写 BTB，需要额外一个周期。 （一） 矩阵乘法及优化 在这一阶段，我们首先给出矩阵乘法的例子，接着将流水线设置为不带 BTB 功能 （configure->enable branch target buffer）直接运行，观察结果进行记录；然后，再开启 BTB 深圳大学学生实验报告用纸
    功能再次运行，观察实验结果。将两次的实验结果进行对比，观察 BTB 是否起作用，如果 有效果则进一步观察流水线执行细节并且解释 BTB 起作用原因。 矩阵乘法的代码如下： .data str: .asciiz "the data of matrix 3:\n" mx1: mx2: mx3: .space 512 .space 512 .space 512 .text initial: daddi r22,r0,mx1 #这个initial模块是给三个矩阵赋初值 daddi r23,r0,mx2 daddi r21,r0,mx3 input: daddi r9,r0,64 daddi r8,r0,0 loop1: dsll r11,r8,3 dadd r10,r11,r22 dadd r11,r11,r23 daddi r12,r0,2 daddi r13,r0,3 sd r12,0(r10) sd r13,0(r11) daddi r8,r8,1 slt r10,r8,r9 bne r10,r0,loop1 daddi r16,r0,8 daddi r17,r0,0 daddi r18,r0,0 #这个循环是执行for(int i = 0, i < 8; i++)的内容 daddi r19,r0,0 #这个循环是执行for(int j = 0, j < 8; j++)的内容 daddi r20,r0,0 #r20存储在计算result[i][j]过程中每个乘法结果的叠加值 mul: loop2: loop3: loop4: dsll r8,r17,6 #这个循环的执行计算每个result[i][j] dsll r9,r19,3 dadd r8,r8,r9 dadd r8,r8,r22 ld r10,0(r8) #取mx1[i][k]的值 dsll r8,r19,6 dsll r9,r18,3 dadd r8,r8,r9 dadd r8,r8,r23 ld r11,0(r8) #取mx2[k][j]的值 dmul r13,r10,r11 #mx1[i][k]与mx2[k][j]相乘 深圳大学学生实验报告用纸
    dadd r20,r20,r13 #中间结果累加 daddi r19,r19,1 slt r8,r19,r16 bne r8,r0,loop4 dsll r8,r17,6 dsll r9,r18,3 dadd r8,r8,r9 dadd r8,r8,r21 #计算result[i][j]的位置 sd r20,0(r8) #将结果存入result[i][j]中 daddi r18,r18,1 slt r8,r18,r16 bne r8,r0,loop3 daddi r17,r17,1 slt r8,r17,r16 bne r8,r0,loop2 halt 不设置 BTB 功能，运行该程序，观察 Statistics 窗口的结果截屏并记录下来。 接着，设置 BTB 功能（在菜单栏处选择 Configure 项，然后在下拉菜单中为 Enable Branch Target Buffer 选项划上钩）。并在此运行程序，观察 Statistics 窗口的结果并截屏记录下来。 在 这 里 ， 我 们 仅 仅 观 察 比 较 Stalls 中 的 最 后 两 项------Branch Taken Stalls 和 Branch Misprediction Stalls。 接下来，对比其结果。我们就结合流水线执行细节分析造成这种情况发生的原因。 （二）设计使 BTB 无效的代码 在这个部分，我们要设计一段代码，这段代码包含了一个循环。根据 BTB 的特性，我们 设计的这个代码将使得 BTB 的开启起不到相应的优化作用，反而会是的性能大大降低。 提示：一定要利用 BTB 的特性，即它的跳转判定是根据之前跳转成功与否来决定的。 给出所用代码以及设计思路，给出运行结果的截屏证明代码实现了目标。 （三）循环展开与 BTB 的效果比对 深圳大学学生实验报告用纸
    首先，我们需要对循环展开这个概念有一定的了解。 什么是循环展开呢？所谓循环展开就是通过在每次迭代中执行更多的数据操作来减小 循环开销的影响。其基本思想是设法把操作对象线性化，并且在一次迭代中访问线性数据中 的一个小组而非单独的某个。这样得到的程序将执行更少的迭代次数，于是循环开销就被有 效地降低了。 接下来，我们就按照这种思想对上述的矩阵乘法程序进行循环展开。要求将上述的代码 通过循环展开将最里面的一个执行迭代 8 次的循环整个展开了，也就是说，我们将矩阵相乘的三个循 环通过代码的增加，减少到了两个循环。 比较，通过对比循环展开（未启用BTB）、使用BTB（未进行循环展开）以及未使用BTB 且未作循环展开的运行结果。比较他们的Branch Tanken Stalls和Branch Misprediction Stalls的 数量，并尝试给出评判。 五、实验结果 一、矩阵乘法及优化 不设置 BTB 功能： 设置 BTB 功能： 原因： 1、 当不设置 BTB 功能时，当遇到分支跳转情况时默认分支不跳转。 loop1 发生了 63 次预测错误，延迟了 63 个时钟周期，直到第 64 次才预测正 确； loop2 第一层循环发生了 7 次预测错误，延迟了 7 个时钟周期，直到第 8 次（退 出）才预测正确； loop3 第二层循环每一轮发生了 7 次预测错误，直到第 8 次才预测正确，总共 深圳大学学生实验报告用纸
    需要 8 次轮回，共延迟了（7x8）个时钟周期； loop4 第三层循环每一轮发生了 7 次预测错误，直到第 8 次才预测正确，第一、 第二层循环各需要 8 次，所以共延迟了（7x8x8）个时钟周期。 所以， Branch Taken Stalls: 574=63(loop1)+7(loop2) +7x8(loop3) +7x8x8(loop4) 2、 当设置 BTB 功能时， loop1 当发生第一次跳转时（默认不跳转，BTB 中不存在匹配项），预测错误 并将 PC 值和分支目标地址写入 BTB 中，延迟了 2 个时钟周期（Branch Tanken Stalls+1）。接下来发生了 63 次预测成功跳转的情况，直到第 64 次需要打破循 环造成分支预测错误（清除已取指令，并从另一个分支（即失败处）取指令， 从 BTB 中删除相应项），延迟了 2 个时钟周期（Branch Misprediction Stalls+2）； loop2 当发生第一次跳转时，预测错误并将 PC 值和分支目标地址写入 BTB 中， 延迟了 2 个时钟周期（Branch Tanken Stalls+2）。接下来发生了 7 次预测成功跳 转的情况，直到第 8 次需要打破循环造成分支预测错误，延迟了 2 个时钟周 期（Branch Misprediction Stalls+2）； loop3 当发生第一次跳转时，预测错误并将 PC 值和分支目标地址写入 BTB 中， 延迟了 2 个时钟周期（Branch Tanken Stalls+2）。接下来发生了 7 次预测成功跳 转的情况，直到第 8 次需要打破第二层循环造成分支预测错误，延迟了 2 个 时钟周期（Branch Misprediction Stalls+2）。而二层循环需要进行 8 次，每一次进入第 二层循环都要建立 BTB，退出也要删除 BTB，所以 Branch Tanken Stalls+2x8，Branch Misprediction Stalls+2x8； loop4 当发生第一次跳转时，预测错误并将 PC 值和分支目标地址写入 BTB 中， 延迟了 2 个时钟周期（Branch Tanken Stalls+2）。接下来发生了 7 次预测成功跳 转的情况，直到第 8 次需要打破第三层循环造成分支预测错误，延迟了 2 个 时钟周期（Branch Misprediction Stalls+2）。而第一、第二层循环各需要 8 次，所 以 Branch Tanken Stalls+2x8x8，Branch Misprediction Stalls+2x8x8； 所以， Branch Taken Stalls:148=2(loop1) +2(loop2) +2x8(loop3) +2x8x8(loop4); Branch Misprediction Stalls:148=2(loop1)+2(loop2)+2x8(loop3)+2x8x8(loop4) 二、设计使 BTB 无效的代码 代码： .text daddi r1,r0,0 daddi r2,r0,5 #r1:sum=0 #r2:i=5 loop1: daddi r2,r2,-1 beqz r2,exit #i-- #if i=0,exit 深圳大学学生实验报告用纸
    daddi r3,r0,2 #r3:j=2 loop2: daddi r3,r3,-1 beqz r3,loop1 daddi r1,r1,1 #j-- #if j=0,loop1 #sum+=1 j loop2 exit: halt 设计思路： 伪代码： sum = 0 for i 5 to 0 for j 2 to 0 sum += 1 i=4，j=0 时，beqz r3,loop1 在 BTB 中没有匹配项，所以将判断结果-跳转，记录 在 BTB 中。这时延迟了 2 个时钟周期。 i=3，j=1 时，beqz r3,loop1 在 BTB 中有匹配项，所以将执行判断结果-跳转；但 是执行到 EX 阶段才发现是不应该跳转的，需要清除已取指令，并从另一个分支 （即失败处）取指令，从 BTB 中删除相应项。这时延迟了 2 个时钟周期。 i=3，j=0 时，beqz r3,loop1 在 BTB 中没有匹配项，所以将判断结果-跳转，记录 在 BTB 中。这时延迟了 2 个时钟周期。 i=2，j=1 时，beqz r3,loop1 在 BTB 中有匹配项，所以将执行判断结果-跳转；但 是执行到 EX 阶段才发现是不应该跳转的，需要清除已取指令，并从另一个分支 （即失败处）取指令，从 BTB 中删除相应项。这时延迟了 2 个时钟周期。。。。 运行结果： 不设置 BTB 功能： 设置 BTB 功能： 深圳大学学生实验报告用纸
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