實(shí)驗(yàn)三實(shí)現(xiàn)Tomasulo算法模擬器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募由顚χ噶罴壊⑿行约捌溟_發(fā)的理解；加深對Tomasulo算法的理解；掌握Tomasulo算法在指令流出、執(zhí)行、寫結(jié)果各階段對浮點(diǎn)操作指令以及l(fā)oad和store指令進(jìn)行什么處理；掌握采用了Tomasulo算法的浮點(diǎn)處理部件的結(jié)構(gòu)；掌握保留站的結(jié)構(gòu)；給定被執(zhí)行代碼片段，對于具體某個時鐘周期，能夠?qū)懗霰Ａ粽尽⒅噶顮顟B(tài)表以及浮點(diǎn)寄存器狀態(tài)表內(nèi)容的變化情況。二、實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個Tomasulo算法模擬器。基本要求：針對程序中直線型代碼，可亂序執(zhí)行、亂序完成。能夠正確輸出每個周期之后保留站的內(nèi)容。保留站基本信息：站名狀態(tài)操作碼第一操作數(shù)值第一操作數(shù)狀態(tài)第二操作數(shù)值第二操作數(shù)狀態(tài)能夠正確輸出每個周期之后寄存器狀態(tài)表的內(nèi)容。寄存器狀態(tài)表基本信息：寄存器名寄存器狀態(tài)（0：不等待保留站的內(nèi)容；n表示等待的保留站名n>0）寄存器內(nèi)容（狀態(tài)為0時，該值才有意義）能夠正確輸出每個周期之后指令狀態(tài)表的內(nèi)容（指令分為浮點(diǎn)運(yùn)算指令和load/store指令），指令狀態(tài)分為流入，執(zhí)行和寫回。指令狀態(tài)表基本信息標(biāo)志出每條指令流出、執(zhí)行、寫回這三個階段所在的周期號較高要求：實(shí)現(xiàn)帶界面的模擬器，可動態(tài)輸入指令并配置相關(guān)信息（e.g指令各個狀態(tài)周期數(shù)，運(yùn)算部件數(shù)目），并能正確輸出上述基本要求中的相關(guān)信息。實(shí)現(xiàn)帶“再定序緩沖”的Tomasula算法模擬器，支持分支指令三、實(shí)驗(yàn)報告1.給定指令流輸入測試L.D F6,21（R2）L.D F2,20（R3）MUL.D F0,F2,F4SUB.D F8,F6,F2DIV.D F10,F0,F6ADD.D F6,F8,F2假設(shè)浮點(diǎn)功能部件的延遲時間：加減法2個周期，乘法10個周期，load/store2個周期，除法40個周期。而指令的流入和寫回為1個周期。a.給出第5個時鐘周期后保留站的內(nèi)容：算法模擬器模板——保留站內(nèi)容：算法模擬器個人——保留站內(nèi)容：分析：第5個時鐘周期流出了5條指令，其中l(wèi)oad指令2條，mult指令1條，sub指令1條，divd指令1條。其中mult和sub指令與ld產(chǎn)生相關(guān)，相關(guān)寄存器編號為F2。M1與M2代表寄存器F6和F2數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好。2條load指令執(zhí)行完畢并且已經(jīng)寫回。b.給出在第10個周期后，保留站，寄存器狀態(tài)表的信息算法模擬器模板——保留站內(nèi)容：算法模擬器個人——保留站內(nèi)容：算法模擬器模板——寄存器狀態(tài)表信息：算法模擬器個人——寄存器狀態(tài)表信息：分析：第10個時鐘周期6條指令均已流出，且2條load指令執(zhí)行完畢并且寫回。sub指令也已執(zhí)行完畢并寫回，目前保留站中剩下add、mult、div3條指令。add指令正在執(zhí)行階段最后一個時鐘周期，沒有寫回。div指令等待mult指令的結(jié)果。乘法指令還有5個時鐘周期執(zhí)行完畢。2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想(1).模塊劃分及類成員定義由所給條件可知，界面點(diǎn)擊執(zhí)行按鈕后，自動彈出4個界面，一個load緩存站，一個保留站，一個寄存器狀態(tài)信息表和一個指令狀態(tài)信息表。因此，為這四個模塊設(shè)計(jì)五個類：a.LoadStation定義成員：緩存站名稱Qi，當(dāng)前組件狀態(tài)Busy，地址計(jì)算Addr，立即數(shù)或計(jì)算結(jié)果value。b.ReservationStation定義成員：當(dāng)前保留站名稱Qi，指令操作的類型Op，當(dāng)前保留站工作狀態(tài)Busy，第一個源操作數(shù)Vj，第二個源操作數(shù)Vk，產(chǎn)生第一個源操作數(shù)的保留站名稱Qj，產(chǎn)生第二個源操作數(shù)的保留站名稱Qk。c.RegisterStation定義成員：以當(dāng)前寄存器為目的操作寄存器的保留站或緩存站名稱Qi，寄存器名稱state，寄存器中的值value。d.Instruction定義成員：當(dāng)前指令名稱name，目的操作寄存器opr1，源操作數(shù)一opr2，源操作數(shù)二opr3。e.InstructionStation定義成員：當(dāng)前指令所在保留站或緩存站名稱Qi，當(dāng)前指令所處的狀態(tài)state，指令執(zhí)行所需要的時間，關(guān)聯(lián)指令隊(duì)列中的指令instruction。以上5個類中，4個與Jpanel相關(guān)，只有InstructionStation(指令狀態(tài))為控制類，包含控制成員state。并在公有方法init()中初始化類為對象，并賦初值。如下圖(圖中包含注釋說明)：(2).算法設(shè)計(jì)算法設(shè)計(jì)的第一階段為流程劃分：根據(jù)指令流入的方式、執(zhí)行方式以及寫回方式，初期定義為三個階段，第一階段為發(fā)射階段，第二階段為執(zhí)行階段，第三階段為寫回階段。在細(xì)化設(shè)計(jì)的過程中，執(zhí)行階段被分為兩個過程，第一個過程為開始執(zhí)行指令，第二個過程為完成執(zhí)行指令。表現(xiàn)在面板中為兩次刷新，第一次刷新設(shè)置開始時間+“->”，第二次刷新加上完成時間。因此，算法過程被細(xì)化為四個流程a.發(fā)射b.執(zhí)行1c.執(zhí)行2d.寫回a.發(fā)射階段流程說明1)獲取當(dāng)前發(fā)射指令循環(huán)查詢指令隊(duì)列，取序號最小的指令。根據(jù)指令類型循環(huán)查詢保留站或緩存站，如有空閑為(Busy=no)，發(fā)射指令。下圖為遍歷指令隊(duì)列，查詢適合發(fā)射的指令。空閑保留站查詢方法圖置于第2小點(diǎn)中。2)根據(jù)指令類型分類處理第一類為Load指令：上圖中第一步判斷是否有可用的空閑load緩存站，下圖說明判斷方法。若存在空閑位，則繼續(xù)執(zhí)行。賦值說明：設(shè)置Busy位為yes，將指令中第一個源操作數(shù)賦值給緩存站value位，load指令中表示立即數(shù)，將保留站名稱賦值給指令狀態(tài)中的Qi，保存該指令的當(dāng)前物理位置。第二類為Float運(yùn)算指令：同樣的，先查詢是否存在空閑保留站。運(yùn)算部分發(fā)射階段代碼較多，不過大部分為不同位的設(shè)置，流程相同。賦值說明1：將使用的保留站Busy位置為yes，將該指令的名稱賦值給保留站對象Op成員，并在面板中顯示。循環(huán)查詢源操作數(shù)來源，如果有前序指令的目的寄存器值作為源操作數(shù)，將其保留站值賦予Qj或Qk。以上方法通過查詢寄存器表實(shí)現(xiàn)。如下圖賦值說明2：如果寄存器表中對應(yīng)的值還沒有計(jì)算出對應(yīng)的結(jié)果，則獲取產(chǎn)生結(jié)果的保留站名稱。如果結(jié)果已計(jì)算出，則直接將結(jié)果值寫入Vj或者Vk。若無寄存器相關(guān)，則直接將操作的寄存器名稱賦給Vj或者Vk。下圖為獲取發(fā)射指令的目的寄存器名稱，并在寄存器狀態(tài)表中更新。最后一步為修改指令狀態(tài)并顯示當(dāng)前發(fā)射周期。b.執(zhí)行1階段流程說明第一類指令load：賦值說明1：當(dāng)load緩存站中的名稱與指令對應(yīng)的名稱相匹配，開始執(zhí)行，對于load指令來說是計(jì)算訪存地址。并將改地址結(jié)果存在緩存站對應(yīng)的Addr。下圖為load指令執(zhí)行時間每時鐘遞減的判斷執(zhí)行函數(shù)。如執(zhí)行時間值依舊大于0，則顯示執(zhí)行過程提示：開始時間+“->”。如執(zhí)行時間等于0，則進(jìn)入指令完成狀態(tài)。并獲取當(dāng)前時鐘周期。第二類指令float運(yùn)算：賦值說明1：float運(yùn)算進(jìn)行的條件是兩個源操作數(shù)Vi和Vk都有值，執(zhí)行時只需將剩余執(zhí)行時間顯示在time欄用于顯示遞減過程即可。下圖為執(zhí)行時間遞減，與load相似，不做分析。c.執(zhí)行2階段流程說明第一類指令load：將計(jì)算結(jié)果賦值給load緩存站中的value值。執(zhí)行時間減一，如執(zhí)行時間為0，則將當(dāng)前時鐘周期值顯示并且設(shè)置狀態(tài)為3。如下圖。第二類指令float運(yùn)算：將當(dāng)前剩余執(zhí)行時間值顯示在面板中。下圖為時間值為0時的time的清零操作。d.寫回階段流程說明第一類指令load：寫回階段刷新load站，重新將Busy設(shè)置為no，其他值置空。第二類指令float運(yùn)算：刷新保留站，Busy設(shè)置為no，其他值置空。下圖為寫回完畢后執(zhí)行的更新寄存器和修改保留站中目的寄存器的操作。賦值說明：對于寄存器，將計(jì)算結(jié)果值置為M+m。對于保留站，將Vj或者Vk賦予寄存器表中的值，而Qj或者Qk置為空值。3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析選取兩條指令以特定的時鐘周期分析MUL.D F0,F2,F4SUB.D F8,F6,F2(1)選取第4個時鐘周