实验3 Tomasulo算法

1 实验目的

(1) 加深对指令级并行性及开发的理解。
(2) 加深对Tomasulo算法的理解。
(3) 掌握Tomasulo算法在指令流出、执行、写结果各阶段对浮点操作指令以及load和store指令进行了什么处理。
(4) 掌握采用了Tomasulo算法的浮点处理部件的结构。
(5) 掌握保留站的结构。
(6) 给定被执行的程序片段，对于具体某个时钟周期，能够写出保留站、指令状态表以及浮点寄存器状态表内容的变化情况。

2 实验平台

采用Tomasulo算法模拟器。

3 实验内容和步骤

首先要掌握Tomasulo算法模拟器的使用方法(见随附的ppt)。
1)、假设浮点功能部件的延迟时间为：加减法2个时钟周期，乘法10个时钟周期，除法40个时钟周期，Load部件2个时钟周期。

(1) 对于下面的代码段，给出当指令MUL.D写结果时，保留站、Load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。

L.D   F6，24(R2)
L.D   F2，12(R3)
MUL.D  F0，F2，F4
SUB.D   F8，F6，F2
DIV.D   F10，F0，F6
ADD.D  F6，F8，F2

(2) 按单步方式执行上述代码，利用模拟器的对比显示功能，观察每一个时钟周期前后各信息表中内容的变化情况。

2)、对于上面相同的延迟时间和代码段：
(1) 给出在第3个时钟周期时，保留站、Load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。

可以看到
保留站中Multi的Qj字段是Load2，寄存器换名技术，存储到保留站
寄存器中F2的Qi是Load2

(2) 步进5个时钟周期，给出此时保留站、Load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。

可以看到
ADD2的Vj是M3(F8)，Vk是M2(F2)
Mult1的Vj是M2(F2)，Vk是R[F4]
Mult2的Vk是M1(F6)，Qj是Mult1(运算后的F0)

再步进10个时钟周期，给出此时保留站、Load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。

可以看出
Mutl2的Vj是M5(F0)，Vk是M1(F6)

3)、假设浮点功能部件的延迟时间为：加减法3个时钟周期，乘法8个时钟周期，除法40个时钟周期，自己编写一段程序，重复上述步骤（2）的工作。并给出通过此项工作，得出什么结论？

(1) 给出在第3个时钟周期时，保留站、Load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。

可以看到
Mutl1的Vk是R[F4]，Qj是Load2(F2)

(2) 步进5个时钟周期，给出此时保留站、Load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。

可以看到
ADD1的Vj是M1(F6)，Vk是M2(F2)
ADD2的Qj是Add1(F8)，Vk是M2(F2)
Mult1的Vj是M2(F2)，Vk是R[F4]
Mult2的Vk是M1(F6)，Qj是Mult1(运算后的F0)

(3) 再步进10个时钟周期，给出此时保留站、Load缓冲器以及寄存器状态表中的内容。

可以看出
Mutl2的Vj是M3(F0)，Vk是M1(F6)

4 实验总结与心得

Tomasulo算法的核心思想：

• 记录和检测指令相关，操作数一旦就绪就立即执行，把发生RAM冲突的减小到最少。
• 通过寄存器换名来消除WAR冲突和WAW冲突。

Tomasulo算法的基本结构

• 见 课本 图4.1

Tomasulo具体算法
（1） 指令流出
（2） load和store指令
（3） 写结果