实验三：记分牌和Tomasulo算法

实验三：记分牌和Tomasulo算法1) 用DLX汇编语言编写代码文件*.s（程序中应包括指令的数据相关、控制相关以及结构相关），以及相关的初始化寄存器文件*.i和数据文件*.d； 2) 观察程序中出现的数据相关、控制相关、结构相关，并指出三种相关的指令组合； 3) 将自己编写的程序*.s、*.i、*.d装载到DLXview模拟器上， （1） 分别用基本流水线、记分牌算法和Tomasulo算法模拟，针对每一种模拟做如下分析： ① 统计程序的执行周期数和流水线中的暂停时钟周期数； ② 改变功能部件数目重新模拟，观察并记录性能的改变； ③ 改变功能部件延迟重新模拟，观察并记录性能的改变； 论述功能部件数目、功能部件延迟对性能的影响。 （2） 记录运行记分牌算法时的功能部件状态表和指令状态表； （3） 记录运行Tomasulo算法时的指令状态表和保留站信息； ### 实验三：记分牌和Tomasulo算法 #### 实验目的 1. **掌握DLXview模拟器的使用方法**：通过本实验，学习如何利用DLXview模拟器进行基本流水线、记分牌算法及Tomasulo算法的仿真。 2. **深入理解指令动态调度**：熟悉指令动态调度的基本原理及其在现代处理器架构中的应用。 3. **理解记分牌算法和Tomasulo算法**：具体分析这两种算法的工作机制、结构特点以及它们在解决指令间依赖性问题上的优势。 4. **比较不同算法的性能**：对比基本流水线、记分牌算法和Tomasulo算法的性能差异，了解各自的优势和局限。 #### 实验平台 - **DLXview模拟器**：一个图形化、交互式模拟工具，支持多种流水线模型的仿真，包括基本流水线、记分牌算法和Tomasulo算法等。 #### 实验内容及步骤 1. **编写DLX汇编语言程序**：使用DLX汇编语言编写包含数据相关、控制相关和结构相关指令的代码文件`*.s`，以及相关的初始化寄存器文件`*.i`和数据文件`*.d`。 2. **识别相关指令组合**：观察程序中出现的不同类型的相关，并指出具体的指令组合。 3. **DLXview模拟器仿真**： - **基本流水线**：观察程序执行周期数和流水线中的暂停时钟周期数。 - **记分牌算法**：记录功能部件状态表和指令状态表。 - **Tomasulo算法**：记录指令状态表和保留站信息。 #### 功能部件数量与延迟对性能的影响 - **功能部件数量**：增加功能部件的数量通常会减少流水线中的冲突和等待时间，从而提高整体性能。然而，过多的功能部件也会带来更高的成本和功耗。 - **功能部件延迟**：减小功能部件的延迟可以直接减少指令的执行时间，从而提高性能。但同时可能会增加硬件复杂度和成本。 #### 预备知识详解 1. **DLXview模拟器** - **基本功能**：DLXview是一款用于模拟DLX指令集架构的软件工具。它支持不同类型的流水线模型，如基本流水线、记分牌算法和Tomasulo算法。 - **文件格式**：支持三种类型的文件输入：`.s`汇编语言源文件、`.d`数据文件和`.i`初始化寄存器文件。 - **图形界面**：提供了丰富的可视化界面，便于用户直观地理解指令在流水线中的流动情况。 2. **指令动态调度** - **目标**：通过硬件自动调整指令执行顺序，减少由于数据相关引起的停顿。 - **实现方式**：采用乱序流水线技术，将指令执行过程分为多个阶段，例如流出（Issue）、读操作数（Read Operands）等，以支持更灵活的调度策略。 3. **记分牌技术** - **工作原理**：通过维护一组计数器（即“记分牌”）来跟踪可用资源的状态，确保只有当所有前置条件满足时才会流出指令。 - **优势**：能够在资源充足的情况下尽可能早地执行指令，减少流水线的空闲时间。 4. **Tomasulo算法** - **核心思想**：结合寄存器重命名技术和记分牌技术，通过提前获取操作数至保留站，避免指令流出时的数据相关阻塞。 - **机制**：每条指令流出时，操作数的寄存器名会被替换为对应的保留站编号，从而确保指令能够从正确的保留站获取所需的操作数。 通过本次实验，学生不仅能够深入了解指令动态调度的核心概念和技术细节，还能够实际操作DLXview模拟器，亲身体验不同类型流水线算法对程序性能的影响。这对于理解现代高性能处理器的设计原理具有重要意义。