Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej

Anatoliy Melnyk

Ćwiczenia laboratoryjne

z przedmiotu „Architektura komputerów”

Bielsko-Biała-2015

2. Praca laboratoryjna 2. Badanie wykonania cyklu na potoku rozkazów

Cel wykonania pracy laboratoryjnej: Opanować technikę potokowego wykonania rozkazów RISC

Zadanie: Symulatorem WinMIPS64 wykonać badanie potokowego wykonania fragmentów programów komputerowych z cyklami. Optymizować kod programowy i wykonać badanie kodu.

Bazowe opcje wykonania pracy laboratoryjnej.

Jest symulowany program jaki zapisany w języku Asembler. Program szuka sumy 10 liczb od 1 do 10 z krokiem 1.

; Program: loop.s

; Sum of 10 integer values

.data

values: .word 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ; 64-bit integers

result: .space 8

.text

MAIN:

LOOP:

daddui R1,R0,10 ; R1 <- 10

dadd R2,R0,R0 ; R2 <- 0 POINTER REG

dadd R3,R0,R0 ; R3 <- 0 RESULT REG

ld R4,values(R2) ;GET A VALUE IN R4

dadd R3,R3,R4 ; R3 <- R3 + R4

daddi R2,R2,8 ; R2 <- R2 + 8 POINTER INCREMENT

daddi R1,R1,-1 ; R1 <- R1 - 1 DECREMENT COUNTER

bnez R1,LOOP nop

sd R3,result(R0) ; Result in R3

HALT ; the end

Niżej pokazano okno symulatora.

Rysunek. 1 -Główne okno symulatora z załadowanym programem. Wykorzystano zasoby przesyłania i prognozowanie kierunku przejścia warunkowego (branch target buffer)

Rysunek. 2 - Główne okno symulatora w jakie widać zawartośc pamięci do startu wykonania programu.

Rysunek. 3 - Główne okno symulatora, wykonano 7 cyklów symulowania, jest pierwszy konflikt RAW (read after write)

Rysunek. 4 - Potok symulatora, Pierwszy RAW hamowanie. 7 taktów symulowania.

Rysunek 5. - Drugi RAW hamowania. Wykonano 10 taktów.

Rysunek 6. -Po wykonaniu 11 taktów wystąpiło pierwsze hamowanie, przez wykonanie przechodu warunkowego (branch taken stall).

Rysunek 7. Pojawienie się pierwszego błędu w prognozowaniu kierunku przesyłania warunkowego (Branch misprediction stall)

Rysunek 8. - Główne okno symulatora w momencie zakończenia CYKLU.

СРІ - CPI - jest (średnia) liczba taktów zegara (cykli na instrukcji), które miały miejsce w trakcie wykonywania poszczególnych instrukcji programu.

Po wykonaniu programu z optymizowanym sprzętem straty potoku rozkazow stanowię: 20 RAW-hamowan, 2 hamowania pod czas wykonania przehodow warunkowych (Branch taken) i jeszcze 2 hamowania czrez blendy z wyznaczeniem kierunku przejścia warunkowego. Jasne, ze przy wykorzystaniu nie optymizowanego sprzętu czas wykonania wzrosty.

Symulowaniem potrzebne nadać odpowiedz na pytania: kiedy, czego, ile?

3. Praca laboratoryjna 3. Równolegle wykonanie maszynowych rozkazow

Cel wykonania pracy laboratoryjnej:

Opanowanie techniką równoległego wykonania maszynowych rozkazów na poziomie sprzętu.

Zadanie

Za pomocą symulatora WinMIPS64 wykonać badanie równoległego wykonania maszynowych rozkazów na poziomie sprzętu i otrzymane przewagi na przykładzie stworzonych studentem fragmentow maszynowego kodu.

W potoku rozkazow realizowana następna strategia: w schodku ID rozkaz sie analizuje i jeśli ma operandy rucha dalej, a jeśli operandow niema - wstrzymuje się. taka strategia pinwale wykorzystać przewagi nie urządzonego zakończenia wykonania (out-of-order completion), lecz ona również może spowodować niebezpieczeństwo WAR. Tu może pomóc technika przemianowywania  registrów (register renaming). Na przykład, takie może stać się w następnym fragmencie kodu:

.text

add.d f7,f7,f3 add.d f7,f7,f4

mul.d f4,f5,f6 ; WAR czrez wspolny rejestr f4

Kiedy wypuścić mul.d, wtedy ten rozkaz (za pewnej umowy) "wyprzedzi" drugi rozkaz add.d i pierwszym zapisze do f4. Więc, mul.d musimy zatrzymać na ID.. Prosta reguła zapobiegania niebezpieczeństw brzmi tak: długie rozkazy wykonują pierwszymi. Niechaj mamy fragment kodu :

;***************************************

;*** winMIPS64 //hazard3.s// *****

;*** (c) 2003 CA226, DCU *****

;***************************************

.text

div.d f7,f9,f10 mul.d f2,f4,f3 sub.d f7,f7,f4 ld r1,78(r0) add.d f4,f5,f6 halt

Wyniki jego syntaktycznej kontroli.

Pass 1 completed with 0 errors

;***************************************

;*** winMIPS64 //hazard3.s// *****

;*** (c) 2005 CA226, DCU *****

;***************************************

00000000	.text
00000000 462a49c3	div.d f7,f9,f10
00000004 46232082 00000008 462439c1	mul.d f2,f4,f3 sub.d f7,f7,f4
0000000c dc01004e	ld r1,78(r0)
00000010 46262900	add.d f4,f5,f6	; WAR on f4
00000014 04000000	halt

Pass 2 completed with 0 errors Code Symbol Table

Data Symbol Table

Ryż. - Niepotokowy powolny wykonawczy węzeł dzielenia z ruchomym przecinkiem podejmował pracę pierwszym

Ryż. - Niepotokowy wykonawczy węzeł dzielenia z ruchomym przecinkiem ( 24 takty zwłoki) jest dociążony

Rys. - 4 rozkazy jest wykonany potokowe (z nie urządzonym zakończeniem)

Rys. - Równolegle wykonanie się kontinuje, żądny rozkaz nie doszedł do schodki МЕМ

Rys. - Pierwszy rozkaz dzielenia jeszcze się wykonuje, a trzecia od końca ld jest bliska do wykonania

Rys. - Nie urządzone (chaotyczne) zakończenie wykonanie rozkazu potoku

Rys. - sub.d ma te samy cel jak i div.d. Stworzona się sytuacja WAW, temu hamowano add.d i halt

Rys. - Hamowana na pierwszej z 4 schodek sub.d hamuje następne za niej add.d

Rys. - Zakończenie div.d odblokowało potok. Dzielenie i odejmowanie wykonywane

Rys. - Chaotycznie zakończony od początku halt, za tym odejmowanie i dodawanie z ruchomym przecinkiem

Rys. - Chaotyczne zakończenie wykonania rozkazu potoku

Rys. - Program jest wykonany, otrzymano statystyki programowe

4. Praca laboratoryjna 4. Badanie potokowego wykonania rozkazow dla opracowania danych z ruchomym przecinkiem

Cel wykonania pracy laboratoryjnej

Opanowanie techniki potokowego wykonania rozkazow RISC dla opracowania danych z ruchomym przecinkiem

.

Zadanie

Z wykorzystaniem symulatora WinMIPS64 komputera 64-bitowej architektury RISC typu MIPS64 wykonac badanie potokowego wykonania fragmentow programowych dla opracowania danych z ruchomym przecinkiem.

Wyszukać zależności za danymi i kierowaniem, optymizować kod programu i wykonać badanie zaproponowanej optymizacji. Sformować sprawozdanie.

Wariant bazowy pracy laboratoryjnej

Kod programowy jaki wykonuje opracowanie danych z ruchomym przecinkiem podano niżej.

; hail.s

; Hailstone numbers iteration

; If number is odd, multiply by 3 and add 1

; If number is even, divide it by 2

; repeat this iteration until number is 1

.data

number: .word 27 ; this is input number - change it!

max: .word 0 ; max number so far

.text

start: ld r1,number(r0) ; program start

loop: andi r3,r1,1 ; test odd or even

beqz r3,even

odd: dadd r2,r1,r1 ; times 2 dadd r1,r2,r1 ; times 3 daddi r1,r1,1 ; plus 1

j over

even: dsrl r1,r1,1 ; divide by 2

over: ld r4,max(r0)

slt r3,r4,r1 ; compare with max

beqz r3,skip

sd r1,max(r0) ; new max

skip: slti r3,r1,2 ; test for finished

beqz r3,loop halt

---