Tomasulo算法在循环中的性能分析：时钟周期与指令调度

在这个关于Tomasulo算法的练习中，学生需要分析PB17000297罗晏宸在2020年4月的Homework4，具体是Exercise3.15。该任务涉及一个非流水化MIPS微处理器架构，采用Tomasulo算法的单发射变体来执行一个循环，用于处理连续的乘法和加法操作。循环的目标是计算数组a与数组X和Y的元素相乘并累加的结果。 循环的核心功能单元包括一个整数加法器（DADDIU），浮点乘法器（MUL.D），浮点加法器（ADD.D），以及数据加载和存储单元。由于存在共享数据总线（CDB）且没有流水线化，指令执行流程如下： 1. **功能单元类型和配置**： - EX：执行单元，负责有效地址计算和存储器访问。 - IF/ID/IS/EX/WB：流水线阶段，IF（指令解析）、ID（指令解码）、IS（指令发射）、EX（执行）、WB（写回）。 - 没有转发，数据通过CDB传递。 - 保留站数限制了流水线容量。 - 流水线延迟考虑：载入指令需1周期，发射和写回各需1周期。 2. **循环结构**： - 循环体内的指令依次执行，每轮迭代执行8个步骤。 - 需要注意的是，循环从第二个指令开始，因为第一条指令（DADDIU R4, R1, #800）被忽略了。 3. **指令执行分析**： - 指令执行顺序和时钟周期如下： - 第二条指令（L.D F2, 0(R1)）：载入X(i)，停顿周期=1，进入EX周期1。 - 第三条指令（MUL.D F4, F2, F0）：乘法运算，停顿周期=2，进入EX周期2。 - 第四条指令（L.D F6, 0($2)）：载入Y(i)，停顿周期=3，进入EX周期3。 - 第五条指令（ADD.D F6, F4, F6）：加法运算，停顿周期=4，进入EX周期4。 - 第六条指令（S.D 0(R2), F6）：存储Y(i)，停顿周期=5，进入EX周期5。 - 第七条指令（DADDIU R1, R1, #8）：增加X索引，停顿周期=6，进入EX周期6。 - 第八条指令（DADDIU R2, R2, #8）：增加Y索引，停顿周期=7，进入EX周期7。 - 第九条指令（SGTIU R3, R1, R4）：条件测试，停顿周期=8，进入EX周期8。 - 第十条指令（BEQZ R3, foo）：循环条件判断，停顿周期取决于测试结果。 4. **时钟周期计算**： - 第1次迭代：由于从第二条指令开始，实际执行时间为9个时钟周期（1-8，不包括发射阶段）。 - 后续两次迭代：每次循环增加一个乘法和两个加法指令的停顿时间，所以第二次迭代需要12个周期，第三次迭代需要15个周期。 5. **表格表示**： - 创建一个表格，包括迭代次数、指令名称、发射周期、执行周期、存储器访问周期、写入CDB周期以及注释（说明等待事件）。 通过以上分析，可以清晰地看到每个指令在不同阶段的延迟和执行情况，这对于理解Tomasulo算法在非流水化系统中的性能表现和优化至关重要。学生需要根据这些信息填充表格，并总结出整个循环的总时钟周期数。