DLX 处理器程序设计

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实验目的

学习使用 DLX 汇编语言编程，进一步分析相关现象

实验原理

掌握向量运算算法和编程方法。由于操作数为双精度，需要使用操作浮点双精度的指令。

本次使用到的指令为

  • ADDD 浮点加指令，其命令格式为 rd,rs1,rs2，rs1 和 rs2 将加到 rd 上。
  • ADDI 立即数加指令，其命令格式为 rd,rs1,immediate，rs1 和一个立即数将加到 rd 上。
  • SD 存储浮点数指令，其命令格式为 offset(rs1),rd，将 rs1 对应空间的数存储在 rd 上。
  • LD 读取浮点数指令，其命令格式为 rd,offset(rs1)，将 rs1 对应空间的数取到 rd 上。
  • BNEZ 判断指令，其命令格式为 rs1,name，如果 CPR 寄存器不为零，则继续执行 name 部分。

实验步骤

  1. 自编一段汇编代码，完成两双精度浮点一维向量的加法（或乘除法）运算，并输出结果。向量长度 >=16。

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    .data
    VecLen: .word 16
    Vector1: .double 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16
    ; vec1=[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]
    Vector2: .double 2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32
    ; vec2=[2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32]
    ; 声明向量长度以及两个向量1、2
    Printf1: .asciiz "The result is\n"
    Printf2: .asciiz "%f\t"

    .align 2

    PrintfHead: .word Printf1
    PrintfValue: .word Printf2
    result: .space 8
    ; 打印数据空间的申请

    .text

    main:
    addi r14,r0,PrintfHead
    trap 5
    lw r20,VecLen
    addi r2,r0,0

    loop: ; 循环读入向量
    ld f0,Vector1(r2)
    ld f2,Vector2(r2)
    addd f4,f0,f2
    ; 主要的加法运算
    sd result,f4
    addi r14,r0,PrintfValue
    trap 5
    addi r2,r2,8
    subi r20,r20,1
    bnez r20,loop

    trap 0
    ; 系统中断，输出结果 "The result is 3.000000, 6.000000, ...."

    程序，运行结果为下图

    数据统计为下窗口所示：

  2. 观察程序中出现的数据 / 控制 / 结构相关。

    数据相关：对当前指令的操作数寄存器进行操作（EX）的时候，前几条指令的运算结果还未写回（WB）结果寄存器，产生了数据相关。

    典型指令组合

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    subi r16,r16,0x1
    bnez r16,Loop

    控制相关：由于系统按照预测成功来执行指令，所以执行 bnez 后会马上将其下一条指令 trap 读取进来

    典型指令组合：

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    bnez r20,Loop
    trap 0x0

    程序中并没有出现结构相关。因为整体仅仅做了一次简单的加法。

  3. 浮点运算部件带来的影响

    增加浮点加法器的数量后，程序执行的性能并未得到提升。

  4. Forward 组件的影响

    关闭 Forward 后，运行时间由 267 个周期增加到 333 个周期，可计算 Forward 技术为该程序带来了 333/267=1.25 的加速比。且 Forward 技术明显减少了 RAW stalls，降低了数据相关的数量。

  5. 转移指令的影响

    成功时，已经进入取指阶段的指令会被放弃（aborted），转入转移的目标指令的取指操作，造成流水线断流；若转移失败，已经进入取指阶段的指令继续进入译码阶段，流水线不断流。