计算机系统结构实验三加法乘法动态多功能流水线调度

计算机专业类课程

实

验

报

告

课程名称：计算机系统结构

学院：计算机科学与工程

专业：计算机科学与技术

学生姓名：林怡

学号：2012060020023

指导教师：叶娅兰

日期：2015年 6月 5日

电子科技大学计算机学院实验中心

电 子 科 技 大 学

实 验 报 告

实验三

一、实验名称：加法乘法动态多功能流水线调度 二、实验学时：4 三、实验内容和目的： 实验目的：

1、 掌握加法乘法动态双功能指令调度的方式，

2、 理解静态多功能流水线和动态多功能流水线在调度模式上的区别，

3、

了解指令并行度上限的概念。

实验内容：

（一）给定要执行的任务和执行该任务的流水线结构

流水线的调度方式能够提高任务的并行度，但是针对不同的任务，由于相关的存在，其并行度的提高是不一致的。在开始程序设计前，我们首先要给定所要完成的任务：

这里我们使用矩阵点积运算任务，∑=n

1i aibi 。 n 的数值可以变化，通过变换n 的值用

同一程序进行多次模拟。

给定流水线：

流水线分五个步骤，每个步骤的执行时间均为一个单位时间；其中1-2-3-5组成加法流水线，1-4-5组成乘法流水线。加法和乘法可以同时执行 （二）对任务进行分解

动态多功能流水线不同于静态多功能流水线，流水线中同时只能有多种种操作的指令，因此不能将其划分为两个相互独立的加法流水线和乘法流水线。

1

2

3

5

4

X Y

我们考虑设计一个加法乘法混合运算器，加法4步，乘法三步，在送入源数据时应指明执行哪种运算。

（三）任务分解程序模拟的思路

在实验二的基础上。我们对设计进行变更。

加法乘法有一个类实现，称之为加乘法类。乘法的数据源为两个队列，加法的数据源为一个队列。

加法器的源数据队列初始为空，乘法器的源数据队列初始分别放入A1－An和B1－Bn。

（四）加乘法流水线的设计

模拟程序的目的是为了计算总的执行时间，因此对于每个步骤执行的功能并不需要关心。

为此设计一个能够同时执行加法和乘法的运算器类，每次接收两个输入数据，对于加法，经过4个时间片，输出加法的结果；对于乘法，经过3个时间片，输出加法的结果。时间片可以用定时器来模拟。

（五）乘法流水线的设计

乘法流水线分为三个步骤，每个步骤时间花费是一个单位时间。模拟程序的目的是为了计算总的执行时间，因此对于每个步骤执行的功能并不需要关心。

为此设计一个总步数为三步的加法器，接收两个输入数据，经过3个时间片，输出乘法的结果。时间片可以用定时器来模拟。

（五）程序设计

程序应包括三个队列，一个加乘法类，一个定时器，一个输出对话框。

两个乘法队列用于存放源数据，一开始将A1－An和B1-Bn分别放入两个乘法队列。

启动定时器，每一个时间片从两个乘法队列中各取出一个源数据、或者从加法队列中取出两个数据源（依次只能是两者中的一种，可以考虑首先从加法队列中取，请思考为什么加法优先？），送入加乘法器（可以通过调用乘法器中对应的加法接口函数或者乘法接口函数，把源数据作为参数传入）。

构造加乘法器类，可以考虑用一个长度对5的执行队列来模拟流水线的5个步骤，对于队列的元素，除了要表示两个源数据外，还需要表示对应这两个数据所要执行的操作（乘法或加法），每个时间片将队列的数据根据执行的操作依次下压一格（加法下压的顺序是1-2-3-5，乘法下压的顺序是1-4-5），队列尾的数据进行对应的计算，并将结果压入加法器源数据队列。

当乘法源队列和乘法源队列均为空且加乘法器的执行队列也为空（所有运算执行完毕）时，任务执行完毕。

用一个记数值表示时间开销，每个时间片对该记数值加1。最后的记数值是任务

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的总的时间开销。

（五）多次模拟

可以通过循环的方式对n从4－20进行循环，将每次模拟运行的时间开销值在对话框中显示出来。如果可能将结果打印。

四、实验原理：

程序设计及数据结构：

实验程序共有6个类，分别是：

①DynamicPiplineTest 公共类，测试程序，每一个n的循环，将计时器清零并初始化长度为n的乘法操作数队列A与B，每个时间片从乘法操作数队列中取出Ai与Bi，进行乘法操作，并将结果送入加法器的操作数队列。当乘法器的源操作数队列为空时开始执行加法操作，当加法操作数队列只剩一个操作数且加法器的执行队列为空的时候，程序结束，输出n和计时器timercounter的值，以及最终的计算结果sum；

②OperaQueue 操作数队列类，包括一个操作数队列数据结构、队列初始化函数OperaQueue(int queueLength)、从队列中取一个源操作数函数getOperationNum()和将加法器计算的结果压入队尾的函数pushOperationNum(int op)；

③Addition 加法器类(也可以作乘法器类)，一个加法（乘法）执行队列additionQueue，一个用于暂存操作数的队列addOperandQueue。构造函数Addition(int len)用于初始化加法器(len=4)或乘法器执行队列(len=3)，函数fetchOpNum在每一个时间片从源操作数队列中取出操作数，函数getAdditionResult()将两个源操作数相加（相乘）并返回它们的和（积），以及一个空操作executeNop()用于模拟加法器（乘法器）执行队列。

④Timer 成员变量timerCounter为时间片计数器。

⑤DialogFrame 对话框相关。

⑥DialogFrameComponent 对话框相关。

五、实验器材（设备、元器件）

Win7操作系统、Eclipse集成开发环境、JDK1.8、Java程序语言

六、实验步骤：

程序流程图：

加法器流水线部分的流程图与实验一完全相同，为节省篇幅这里不再给出。

由程序流程图可以看出，动态流水线与静态流水线大体的流程都是相同的，唯一的区别在于动态流水线一旦等到乘法执行队列为空后就立马进入加法流水线，而静态流水线要等到乘法流水线也排空后才能进入，因此动态流水线所需的时间片开销较静态流水线要更少，效率更高。

七、实验数据及结果分析：

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当n=4时，时空图如下：此时时间片开销为t=14

当n=5时，时空图如下：此时时间片开销为t=17

当n=6时，时空图如下：此时时间片开销为t=19

实验程序结果如图：

由截图可知，实验结果与时空图的结果是一致的，说明实验程序的正确性。

八、实验结论、心得体会和改进建议：

1、通过本次实验，我自己动手实现了一个简单的动态加法乘法多功能流水线，增加了我对于流水线的工作流程的理解，也明白了通过指令的分解可以加快指令的运行速度并减少相关。

2、通过对流水线的模拟，不仅熟悉了流水线指令调度的过程，也训练了我多种数据结构的使用，以及将问题抽象的能力。在模拟程序的实现中，我采用了队列、类等等基本的结构，这次实验，让我理解了流水线的调度策略，同时实际的程序开发也提高了我的编程能力。

3、动态流水线与静态流水线的不同之处在于，当乘法器操作数队列为空时，加法器马上进入，而不用等到乘法操作执行完之后才进入。

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实验代码如下：

/*******DynamicPipelineTest.java********/

package pipeline3;

import java.awt.Dimension;

import java.awt.EventQueue;

import java.awt.Font;

import java.awt.Graphics;

import java.util.LinkedList;

import java.util.Queue;

import javax.swing.JComponent;

import javax.swing.JFrame;

public class DynamicPipelineTest{

public static String printStr = "";

public static void main(String[] args) {

int n = 0;

String tempStr = "";

for (n=4;n<=20;n++){

Timer.timerCounter = 0; //计时器初始化为0

int op1 = 0,op2 = 0;

int sum = 0; //存放最后结果

int tempProduct = 0; //存放乘法的中间结果

Boolean end = false; //标志位，代表整个加法操作是否完成

OperaQueue mulQueueA = new OperaQueue(n); //创建长度为n的乘法操作数队列A

OperaQueue mulQueueB = new OperaQueue(n); //创建长度为n的乘法操作数队列B

OperaQueue addQueue = new OperaQueue(0); //创建长度为0的加法操作数队列

Addition multi = new Addition(3); //初始化创建一个空的乘法器执行队列长度为3

Addition addition = new Addition(4); //初始化创建一个空的加法器执行队列长度为4

/**当源队列里有一个或多个数据或者乘法器的执行队列不为空时执行乘法操作*/

while ((mulQueueA.opQueue.size() > 1)

| !multi.additionQueue.toString().equals("[0, 0, 0]")){

/*若乘法源操作数队列中有多于一个操作数*/

if (mulQueueA.opQueue.size() > 0){

op1 = mulQueueA.getOperationNum(); //从乘法操作数队列A中

取一个源操作数

op2 = mulQueueB.getOperationNum(); //从乘法操作数队列B中取一个源操作数

multi.addOperandQueue.offer(op1);

multi.addOperandQueue.offer(op2); //暂存入乘法器的操作数队列，以便后续进行乘法时提供操作数

multi.fetchOpNum(); //指令进入乘法流水线,压入乘法器执行队列

}

/*若乘法指令到达流水线最后一级，则求和并将结果压入源操作数队列*/

if(multi.additionQueue.peek() == 1){

tempProduct =

multi.getResult(multi.addOperandQueue.poll(),

multi.addOperandQueue.poll(),"MUL");

addQueue.pushOperationNum(tempProduct); //乘法操作得到的结果压入加法的操作数队列

}

Timer.timerCounter++;

//注意增加了条件:当乘法器的源操作数队列为空时开始执行加法操作！！

if (mulQueueA.opQueue.size() == 0){

/**当源队列里有多于一个数据或者加法器的执行队列不为空时执行加法操作*/

while ((addQueue.opQueue.size() > 1)

| !addition.additionQueue.toString().equals("[0, 0, 0, 0]")){

/*乘法队列中已无操作数，乘法器执行空操作*/

if (!multi.additionQueue.toString().equals("[0, 0, 0]")){

multi.executeNop();

}

/*若加法指令到达流水线最后一级，则求和并将结果压入源操作数队列*/

if(addition.additionQueue.peek() == 1){

sum =

addition.getResult(addition.addOperandQueue.poll(),

addition.addOperandQueue.poll(),"ADD");

addQueue.pushOperationNum(sum); //加法操作得到的结果压入操作数队列

}

/*若源操作数队列中有多于两个操作数*/

if (addQueue.opQueue.size() > 1){

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op1 = addQueue.getOperationNum();

op2 = addQueue.getOperationNum(); //从操作数队列中取两个源操作数

addition.addOperandQueue.offer(op1);

addition.addOperandQueue.offer(op2); //暂存入加法器的操作数队列，以便后续进行加法操作

addition.fetchOpNum(); //指令进入加法流水线,压入加法器执行队列

}

else {

addition.executeNop(); // 若源操作数队列中的元素个数少于2个，执行空操作

}

/*若指令到达流水线最后一级，则求和并将结果压入源操作数队列*/

if(multi.additionQueue.peek() == 1){

tempProduct =

multi.getResult(multi.addOperandQueue.poll(),

multi.addOperandQueue.poll(),"MUL");

addQueue.pushOperationNum(tempProduct); //乘法操作得到的结果压入加法的操作数队列

}

if (addQueue.opQueue.size() == 1 &&

addition.additionQueue.toString().equals("[0, 0, 0, 0]")){

sum = addQueue.opQueue.poll();

end = true; // 流水线结束跳出外层循环

break;

}

Timer.timerCounter++;

}

}

if (end) break;

}

tempStr = "n = "+n+" timer = "+Timer.timerCounter+"

sum="+sum+"\n";

printStr = printStr + tempStr;

}

/*调用对话框*/

EventQueue.invokeLater(new Runnable() {

public void run() {

JFrame frame = new DialogFrame();

frame.setTitle("加法乘法动态多功能流水线调度");

frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);

frame.setVisible(true);

}

});

}

}

/**

* 操作数队列,长度初始化为n

*/

class OperaQueue{

Queue opQueue;

public OperaQueue(int queueLength){

opQueue = new LinkedList(); //初始化队列

for (int i=1;i

opQueue.offer(i); //操作数1~n依次入队，不采用随机数便于观察结果}

}

int getOperationNum(){

return opQueue.poll();

}

void pushOperationNum(int op){

opQueue.offer(op); //将相加后的操作数入队

}

}

/**

* 加法器类，也可作乘法器类

* 作加法器时执行队列长度为4

* 作乘法器时执行队列长度为3

*/

class Addition{

Queue additionQueue = new LinkedList();

Queue addOperandQueue = new LinkedList();

Addition(int len){

/*初始化加法器执行队列*/

while (len--!=0)

additionQueue.offer(0);

}

void fetchOpNum(){

/*执行队列下压一格，模拟具体的步骤*/

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/*第一级取数操作*/

additionQueue.poll();

additionQueue.offer(1);

}

void executeNop(){

/*执行队列下压一格，模拟具体的步骤*/

/*空操作*/

additionQueue.poll();

additionQueue.offer(0);

}

int getResult(int opa,int opb,String opCode){ /*若操作码为ADD，将两个源操作数相加，返回它们的和*/

if (opCode.equals("ADD"))

return opa+opb;

/*若操作码为MUL，将两个源操作数相乘，返回它们的积*/

else if (opCode.equals("MUL"))

return opa*opb;

else

return -1;

}

}

/**

* 计时器timerCounter

*/

class Timer{

public static int timerCounter; //计时器timercounter }

/**

* 对话框

*/

class DialogFrame extends JFrame{

public DialogFrame(){

add(new DialogFrameComponent());

pack();

}

}

class DialogFrameComponent extends JComponent{ public static int MESSAGE_X = 40;

public static int MESSAGE_Y = -200;

private static final int DEFAULT_WIDTH = 400;

private static final int DEFAULT_HEIGHT = 350;

public void paintComponent(Graphics g){

String[] str = DynamicPipelineTest.printStr.split("\n");

for (int i = 0;i < str.length;i++){

g.setFont(new Font("Tahoma", Font.BOLD, 12));

g.drawString(str[i], MESSAGE_X, MESSAGE_Y);

MESSAGE_Y += 15;

}

}

public Dimension getPreferredSize(){return new

Dimension(DEFAULT_WIDTH,DEFAULT_HEIGHT);}

}

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