计算机标准体系结构第四次实验Tomasulo方法实验.doc

Tomasulo办法实验 姓名：王宇航 学号：09283020
Tomasulo办法实验
一、实验目：
通过本实验，理解指令流水化过程中乱序执行和寄存器重命名办法。
二、实验内容：
1、用dlxView模仿器或Tomasulo算法模仿器执行浮点指令程序段。
2、指出指令乱序执行和寄存器重命名过程。
三、实验环境
操作系统：Windows 7 旗舰版
解决器：Intel(R) Core(TM) i3 双核
内存：2.00GB
软件：Tomasulo算法模仿器
四、实验过程：
1、设立Tomasulo算法模仿器参数
其中Load部件执行时间不能设立为1，至少为2，故不作修改；加/减法部件执行时间为4个时钟周期，乘法部件执行时间为7个时钟周期，除法部件执行时间为15个时钟周期。

2、分析Tomasulo算法模仿器中指令乱序执行过程
Tomasulo算法模仿器中默认设立指令下图所示：

执行该指令序列，重点观测指令状态写成果一栏，便会发现执行过程中存在乱序执行现象，共有两处乱序执行，分别如下列图所示：

图中显示，在第10周期时，位于MULT.D指令之后SUB.D指令通过4个周期已经执行完毕并已经将成果写回寄存器，而MULT.D指令仍在执行中。

在第13周期时，MULT.D指令通过7个周期执行完毕，才将成果写回。此外，还可以看到，位于DIV.D指令之后ADD.D指令在第11周期时就已经开始执行，而DIV.D指令直至当前都未开始执行。

在第15周期时，ADD.D指令通过4个周期执行完毕，先于DIV.D指令写回成果；而DIV.D指令仍在执行中。

在第29周期时，DIV.D指令通过15个周期终于执行完毕，将成果写回寄存器。
以上分析证明，在Tomasulo算法中存在乱序执行并且不会影响执行成果对的性。这是由于，Tomasulo算法采用分布保存站，冲突检测和指令执行控制是分布。
3、分析Tomasulo算法模仿器中寄存器重命名过程
在Tomasulo算法中通过寄存器重命名来消除WAR冲突，这一过程是通过保存站来完毕。当指令流出到保存站时，若其操作数已经就绪，则将该指令中相应寄存器号换为该数据自身；若其操作数尚未计算出来，则将该指令中相应寄存器号重命名为将产生这个操作数保存站标记，从而使得该指令与此寄存器不再关于系，背面指令对此寄存器写入操作也不也许对该指令导致WAR冲突了。
（1）将指令中相应寄存器号换为数据自身
执行Tomasulo算法模仿器中默认设立指令序列，容易看出最后一条指令ADD.D和前一条指令DIV.D之间存在一种WAR冲突，即DIV.D指令要读寄存器F8中值，ADD.D要写寄存器F8中值，由于乱序执行，ADD.D指令会先于DIV.D指令完毕；但是执行成果却不会发生错误是由于Tomasulo算法通过寄存器重命名将这一冲突消除了。
可以看到在第5周期时，DIV.D指令流出到保存站中，此时F8中值已经由前面L.D指令得出，为M1，但是模仿器并没有将相应寄存器号R[F8]写入Vk字段中，而是将其换为了F8中数据自身M1，从而使得该指令与寄存器F8不再关于联，无论背面指令如何改写F8也都不会影响该指令对的执行了。
此外，由于前面MULT.D指令尚未得出F2值，故DIV.D指令将寄存器F2重命名为MULT.D指令保存站标记Mult1，写入Qj字段中。如下图所示：

在这个周期中，ADD.D指令已经执行完毕，并且已经将寄存器F8中值由M1改写成了M5，但此时DIV.D指令仍在对的执行着，并没有发生任何错误，并且通过15个执行周期可以对的完毕执行过程，第15周期如下图所示：

由此阐明了将指令中相应寄存器号换为数据自身这一寄存器重命名办法成功地消除了WAR冲突。
（2）将指令中相应寄存器号重命名为将产生该操作数保存站标记
对Tomasulo算法模仿器中默认设立指令进行重排，将第一条L.D指令后移两个位置，重排后指令如下图所示：

可以看到，在该指令序列中，最后一条指令ADD.D和前一条指令DIV.D之间依然存在一种WAR冲突。执行该指令序列，观测执行过程。可以发当前第5周期时，DIV.D指令流出到保存站中，而此时前面L.D指令尚未得出F8值，但是模仿器并没有将相应寄存器号R[F8]写入Vk字段中，而是将其换为了L.D指令保存站标记Load2写入了Qk中，从而使得该指令与寄存器F8不再关于联，无论背面指令如何改写F8也都不会影响该指令对的执行了，如下图所示：

对寄存器F2解决和前一种状况相似。
在第6周期时，保存站Load2完毕计算，得出F8值M2，就会通过CBD将F8值直接传送到DIV.D指令保存站Mult2Vk字段中，如下图所示：

在第12周期时，MULT.D指令得出F2值后也会通过CDB将其直接送到DIV.D指令保存站中，DIV.D指令便可以开始执行了。
（3）分析WAW冲突消除办法
寄存器重命名办法不但可以消除WAR冲突，还可以配合使用对目的寄存器预约办法消除WAW冲突。这一办法思想是，在一条指令流出到保存站时，将成果寄存器Qi字段设立为该指令保存站标记，表达到果寄存器将要接受该指令成果，这样其实相称于提前完毕了写操作。由于指令是按程序顺序流出，当浮现多条指令写同一种成果寄存器时，最后留下预约成果必然是最后一条指令，因而可以消除WAW冲突。
为了演示消除WAW冲突过程，改写上述指令最后一条指令，将目的寄存器由F8改为F12，如下图所示：

在该指令序列中，DIV.D指令和最后ADD.D指令之间存在WAW冲突，即DIV.D指令要写寄存器F12，ADD.D指令也要写寄存器F12，由于乱序执行，ADD.D指令会先于DIV.D指令完毕，写成果至寄存器F12。若没有任何防范办法，当DIV.D指令完毕后又会写其执行成果至寄存器F12，修改刚才ADD.D指令执行成果，导致成果错误。但Tomasulo算法通过寄存器重命名和对目的寄存器预约办法将这一冲突消除了。
执行修改后指令序列，观测执行过程。可以看到，在第5周期时，DIV.D指令流出到保存站中，同步将寄存器F12Qi字段中设为DIV.D指令保存站标记Mult2，完毕预约工作。如下图所示：

在第6周期时，ADD.D指令流出到保存站中，同步将寄存器F12Qi字段中改写为该指令保存站标记Add2，这样就表达寄存器F12最后接受是ADD.D指令执行成果，虽然DIV.D指令在ADD.D指令之后执行完，也无法再改写寄存器F12了，从而保证了F12中成果对的性。如下图所示：

为了验证这一办法有效性，可以看一下第16周期和第28周期。在第16周期，ADD.D指令先于DIV.D指令完毕执行过程，将成果写入寄存器F12中，值为M5；在第29周期，DIV.D指令也完毕执行过程，但是再也无法写寄存器F12了，F12中值依然为ADD.D指令执行成果M5，如下图所示：

第16周期

第28周期
由此阐明寄存器重命名和对目的寄存器预约办法成功地消除了WAW冲突。
五、实验总结：
本次实验重要是借助Tomasulo算法模仿器理解指令流水化过程中乱序执行和寄存器重命名办法。通过在Tomasulo算法模仿器执行存在WAR冲突或者WAW冲突浮点指令程序段，分析其中乱序执行现象和寄存器重命名过程，我理解了Tomasulo算法消除WAR冲突和WAW冲突办法，理解并掌握了寄存器重命名原理及过程。