ІКТА / КБ-24 / Архітектура Мельник, Нємкова / Лаби умови / ARCH3lab

Лабораторний практикум

11

Отриману суму, що дорівнює 0хАА + 0хВВ = 0х165 містить комірка з адресою 0х14. Це стверджує протокол зміни вмістимого комірок основної пам’яті (рис. 4.2). Видно, що другий доданок заміщено сумою.

Рис. 4.3 містить протокол статистик, отриманих під час опрацювання програми. Характеристики цього протоколу визначено з врахуванням загалом 10-ти витрачених циклів. [Далі подають аналізроз’яснення щодо кожного розділу протоколу статистик із ручним прорахунком-підтвердженням наведених у машинному протоколі значень статистичних характеристик].

4.4. Експериментальна частина

Скоректуємо асемблерний код нашої програми за правилами статичного планування, що реально виконує автоматично оптимізуючий компілятор уведенням інструкції nop аби розв'язати (скасувати залежності даних). Тоді отримуємо наступний текст програми.

;Compiler Scheduling. Example DLX code

;Assumtions:

;R1 initially holds the value 0

;A is an integer, stored beginning at address 0x10

;B is an integer array, stored beginning at address 0x14

lw	r2,0x10(r1)	;get A value
lw	r3,0x14(r1)	;get B value
nop	r2,r2,r3	;compiler scheduling, cycle bypass
add		;update A=A+B
sw	0x14(r1),r2	;store new A
trap	0	;end

Протокол роботи конвеєра подано рисунком 4.4.

Рис. 4.4. Протокол роботи конвеєра для експериментальної програми із статичним плануванням

Бачимо, що пригальмування зникли. [Далі розглядаємо решту протоколів, як це було зроблено вище для базисної версії програми].

Зрозуміло, що наші пропозиції щодо усунення залежностей даних в спосіб статичної диспетчеризації підтверджено.

4.5. Висновки

А. Існування притаманних програмі залежностей даних спричинило виникнення залежності RAW, яку автоматично визначила та в спосіб затримки на один цикл знищила апаратна частина машини. При цьому втрата швидкодії склала 1 – 9/8 = - 12.5 %.

В. Можливе скасування залежності даних уведенням інструкції nop після другої інструкції програми, що відповідає не динамічному, а статичному плануванню процесу виконання програми. С. У великих програмах зустрічаються випадки, коли при статистичному плануванні компілятор замість операції nop уводить корисну інструкцію, яка розташована ближче до початку програми, та за умови, коли її пересунення (після чергове опрацювання)не спотворює сенс програми.

В. Мельник. Кафедра БІТ. Національний університет “Львівська політехніка”

Лабораторний практикум

12

5. Лабораторні роботи

Далі подано інформацію щодо тематики, обсягу та термінів виконання лабораторних робіт. Фактично кожна лабораторна робота містить дві частини, а саме, базову частину та експериментальну частину.

Метою виконання базової частини кожної лабораторної роботи є опанування студентом технологій обробки потоку інструкцій конвеєром універсальних процесорів (на прикладі обробки програм певних типів) та отримання навичок з кількісного оцінювання ефективності мікроархітектур цих процесорів.

Метою виконання експериментальної частини відповідної лабораторної роботи є прищеплення студентам навичок з самостійного планування експерименту та розв'язування інженерних задач, що при цьому виникають, з подальшим оцінюванням ефективності запропонованих та втілених ними пропозицій за обраними студентами критеріями.

Лабораторні роботи розрізняють за типом програми, виконання якої симулюють. При цьому базова (Б) та експериментальна (Е) частини усіх лабораторних робіт мають формально збіжні завдання, як це подано нижче.

Завдання до роботи 1Б.

1.Завантажити базисну версію програми до симулятора. Спланувати використання комірок головної пам’яті та записати до них вихідні дані.

2.Виконати програму у кроковому режимі. Перевірити результат виконання програми.

3.Пояснити подані вікнами (циклове вікно, вікно статистик) симулятора протоколи виконання програми.

4.Зробити висновки за результатами симуляції виконання програми.

5.Оформити звіт Б та захистити його.

Завдання до роботи 1Е.

1.Запропонувати заходи з покращення ефективності використання апаратних засобів процесора та скласти відповідну експериментальну версію базової програми.

2.Виконати експериментальну програму у кроковому режимі. Перевірити результат виконання програми.

3.Пояснити подані вікнами (циклове вікно, вікно статистик) симулятора протоколи виконання програми.

4.Подати кількісні значення тих характеристик, які доводять зростання ефективності роботи апаратних засобів.

5.Зробити висновки за результатами виконання експерименту.

6.Оформити звіт Е та захистити його.

Звіт з кожної лабораторної роботи містить:

-титульну сторінку,

-завдання (базове, або ж експериментальне, у тому числі текст програми),

-чітко викладену студентом мету роботи,

-планування використання комірок головної пам’яті (для роботи Б),

-сутність експерименту (для роботи Е),

-необхідні витяги з протоколів, складених симулятором за результатом опрацювання програми,

-стисле пояснення результатів, що містять зазначені витяги,

-чисельні значення тих кількісних характеристик, що доводять ефективність або ж, навпаки, спростовують ефективність запропонованої студентом експериментальної версії програми у порівнянні з наданою базисною програмою (лише для роботи Е),

-стисло сформульовані висновки.

Звіти (у роздрукованому та зшитому вигляді) подають на захист на початку наступної лабораторної роботи. Обсяг кожного звіту – до 4-х друкованих (шрифтом 10) стандартних аркушів.

В. Мельник. Кафедра БІТ. Національний університет “Львівська політехніка”

Лабораторний практикум

13

5.1. План виконання робіт

План виконання лабораторних робіт подано наступною таблицею.

Номер	Вид роботи	Тип програми	Бали
заняття
1	Вступ		n/a
2	Ознайомча робота	Додавання двох цілих чисел	3
3	Робота 1Б. Базисна версія	Цикл	3
4	Робота 1Е. Експеримент		3
5	Робота 2Б. Базисна версія	Рухома кома
6	Робота 2Е. Експеримент		3
7	Робота 3Б. Базисна версія	Просте число
8	Робота 3Е. Експеримент		3
9	Робота 4Б. Базисна версія	Факторіал

19Робота 4Е. Експеримент

5.2.Лабораторна робота 1. Програма ЦИКЛ

Базисна версія програми.

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

;*	Example DLX code without the use of loop unrolling and			*
;*	rescheduling.			*
;*	Assumtions:			*
;*	R1 initially holds the value 0			*
;*	A is an integer array, stored beginning at address 0			*
;*	B is an integer array, stored beginning at address 4000			*
;*				*
;*	Written by Dr. Michelle Hugue			*
;*	(Worksheet Loop Unrolling and Rescheduling 1)			*
;****************************************************************
Loop:		r2,0(r1)
	lw		;get next A value
	lw	r3,20(r1)	;get next B value
	add	r2,r2,r3	;update A
	sw	40(r1),r2	;store new A
	addi	r1,r1,#4	;update counter
	subi	r4,r1,#16	;check to see if done
	bnez	r4,Loop	;repeat loop if not done
	trap	0	;end

5.3. Лабораторна робота 2. Програма РУХОМА КОМА

Базисна версія програми.

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

;*This example calculates the equation: (A*B)+(C*D)	*
;*We are assuming that the value of A is stored at	*

;*location 100; B is at 200; C, 300; D, 400.	The result *
;*will be stored at location 500.	*
;*A, B, C, and D are all 32 bit integers	*

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

Equation:	r1,100(r0)
lw		;load A
lw	r2,200(r0)	;load B
lw	r3,300(r0)	;load C
lw	r4,400(r0)	;load D

movi2fp f1,r1	;convert A into floating pt
movi2fp f2,r2	;convert B to fp
movi2fp f3,r3	;convert C to fp

В. Мельник. Кафедра БІТ. Національний університет “Львівська політехніка”

Лабораторний практикум		14
movi2fp f4,r4		;convert D to fp
multf	f5,f1,f2	;A*B is stored into f1
movfp2I	r1,f5	;move f1 to r1
multf	f6,f3,f4	;C*D is stored into f3
movfp2I	r3,f6	;move f3 to r3
add	r1,r1,r3	;(A*B)+(C*D)
sw	500(r0), r1	;store result at mem[500]
trap	0	;end

5.4. Лабораторна робота 3. Програма ПРОСТЕ ЧИСЛО

Базисна версія програми.

;WINDLX Exp.2: Generate prime number table

;(c) 1991 Guenther Raidl

;Modified 1992 Maziar Khosravipour

;Program begins at symbol main

;generates a table with the first 'Count' prime numbers from 'Table' ;---

.data

	;--- size of table
Count:	.global	Count
	.word	10
Table:	.global	Table
	.space	Count*4
	.text	main
main:	.global
	;--- Initialization
	addi	r1,r0,0	;Index in Table
	addi	r2,r0,2	;Current value
NextValue:	;--- Determine, if R2 can be divided by a value in table
	addi	r3,r0,0	;Helpindex in Table
Loop:	seq	r4,r1,r3	;End of Table?
	bnez	r4,IsPrim ;R2 is a prime number
	lw	r5,Table(R3)
	divu	r6,r2,r5
	multu	r7,r6,r5
	subu	r8,r2,r7
	beqz	r8,IsNoPrim
	addi	r3,r3,4
IsPrim:	j	Loop
	;--- Write value into Table and increment index
	sw	Table(r1),r2
	addi	r1,r1,4
	;--- 'Count' reached?
	lw	r9,Count
	srli	r10,r1,2
	sge	r11,r10,r9
IsNoPrim:	bnez	r11,Finish
	;--- Check next value
	addi	r2,r2,1	;increment R2
Finish:	j	NextValue
	;--- end	0
	trap

В. Мельник. Кафедра БІТ. Національний університет “Львівська політехніка”

Лабораторний практикум

15

5.5. Лабораторна робота 4. Програма ФАКТОРІАЛ

Базисна версія програми.

;WINDLX Ex.3: Factorial

;(c) 1991 Guenther Raidl

;Modified: 1992 Maziar Khosravipour

;Program begin at symbol main

;requires module INPUT

;read a number from stdin and calculate the factorial (type: double)

;the result is written to stdout

;---	.data
Prompt:			"An integer value >1 : "
	.asciiz
PrintfFormat:		.asciiz		"Factorial = %g\n\n"
PrintfPar:	.align			2
	.word		PrintfFormat
PrintfValue:.space				8
	.text		main
main:	.global
	;--- Read value from stdin into R1
	addi		r1,r0,Prompt
	jal		InputUnsigned
	;--- init values				;R1 -> D0	D0..Count register
	movi2fp		f10,r1
	cvti2d		f0,f10		;1 -> D2	D2..result
	addi		r2,r0,1
	movi2fp		f11,r2
	cvti2d		f2,f11		;1-> D4	D4..Constant 1
	movd		f4,f2
Loop:	;--- Break loop if D0 = 1
	led		f0,f4		;D0<=1 ?
	bfpt		Finish
	;--- Multiplication and next loop
	multd		f2,f2,f0
	subd		f0,f0,f4
Finish:	j		Loop
	;--- write result to stdout
	sd		PrintfValue,f2
	addi		r14,r0,PrintfPar
	trap		5
	;--- end		0
	trap

На цьому подання матеріалів для виконання лабораторних робіт завершено.

В. Мельник. Кафедра БІТ. Національний університет “Львівська політехніка”

Лабораторний практикум

16

6.ДОДАТОК. Таблиця інструкцій процесора

Інструкція, тип та код		Сутність інструкції
		Move data between registers and memory, or between the integer and
Пересилання даних		FP or special registers; only memory address mode is 16-bit displacement
		+ contents
LB, LBU, SB		Load byte, load byte unsigned, store byte
LH, LHU, SH		Load halfword, load halfword unsigned, store halfword
LW, SW		Load word, store word
LF, LD, SF, SD		Load single precision float, load double precision float, store single precision
		float, store double precision float
MOVI2S, MOVS2I		Move from/to integer register to/from a special register
MOVF, MOVD		Copy one floating point register or a DP pair to another register or pair
MOVFP2I, MOVI2FP		Move 32 bits from/to a FP register to/from an integer register
Арифметичні та логічні		Operations on integer or logical data in integer registers; signed arithmetic
		instructions trap on overflow
ADD, ADDI, ADDU, ADDUI		Add, add immediate (all immediates are 16 bits); signed and unsigned
SUB, SUBI, SUBU, SUBUI		Subtract, subtract immediate; signed and unsigned
MULT, MULTU, DIV, DIVU		Multiply and divide, signed and unsigned; operands must be floating-point
		registers; all operations take and yield 32-bit values
AND, ANDI		And, and immediate
OR, ORI, XOR, XORI		Inclusive or, Inclusive or immediate, exclusive or, exclusive or immediate
LHI		Load high immediate - loads upper 16 bits of register with immediate and zeros
		the lower 16 bits
SLL, SRL, SRA,		Shifts; both immediate (S__I) and variable form (S__); shifts are left logical, righ
SLLI, SRLI, SRAI		logical and right arithmetic
SEQ, SNE, SLT,		Set conditional; set equal zero, set not equal zero, set less than, set greater than,
SGT, SLE, SGE		set less than or equal, set greater than or equal
Керування		Conditional branches and jumps; PC-relative or through register
BEQZ, BNEZ		Branch integer register equal/not equal to zero; 16 bit offset from PC+4
BFPF, BFPT		Test comparison bit in the FP status register and branch; 16 bit offset from PC+4
J, JR		Jumps; 26 bit offset from PC+4 (J) or target register (JR)
JAL, JALR		Jump and link; save PC+8 to R31, target is 26 bit offset from PC+4 (JAL) or a
		register (JALR)
TRAP		Transfer to operating system at a vectored address
RFE		Return to user code from an exception; restore user mode
Рухома кома		Floating-point operations on DP and SP floats
ADDD, ADDF		Add DP and SP floats
SUBD, SUBF		Subtract DP and SP floats
MULTD, MULTF		Multiply DP and SP floats
DIVD, DIVF		Divide DP and SP floats
CVTD2F, CVTD2I,		Convert instructions; CVTx2y converts from type x to type y, where x and y are
CVTF2D, CVTF2I,		one of D (double precision float), F (single precision float) or I (integer); both
CVTI2D, CVTI2F		operands are in floating point registers
EQD, EQF, NED, NEF, LTD, LTF,		DP and SP compares; set comparison bit in FP status register
GTD, GTF, LED, LEF, GED, GEF

В. Мельник. Кафедра БІТ. Національний університет “Львівська політехніка”