Tomasulo模拟器 实验报告

2019/6/9 返回

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设计思路

• 概述
  • 按照要求设计了流水线，实现了3个加减法器，2个乘除法器，2个Load部件
  • 实现了6个加减法保留站，3个乘除法保留站，3个Load Buffer
  • 实现了32个浮点数寄存器，分别为F0到F31
• 硬件
  • 见codes/tomasulo/hardware.py
  • 实现基类HardWare，子类Adder、Multer、Loader，以及实例化规定数量的部件
• 保留站和Load Buffer
  • 见codes/tomasulo/reservationstation.py
  • 实现保留站基类RS，Load Buffer基类LoadBuffer，并实现ReservationStation类整合它们
• 流水线
  • 见codes/tomasulo/tomasulo.py
  • 实现类Tomasulo，其中：
    • Tomasulo.step(n)方法模拟流水线经过n个时间周期的过程，n默认为1

      while n > 0: #n个时间周期
          self.clock += 1
      
          #WRITEBACK
          for LB in self.RS.LB.values():
              ... #写回Load Buffer中运行结束的指令结果
      
          for ARS in self.RS.ARS.values():
              ... #写回加减法保留站中运行结束的指令结果
      
          for MRS in self.RS.MRS.values():
              ... #写回乘除法保留站中运行结束的指令结果
      
          #EXCUTE
          for LB in self.RS.LB.values():
              if LB.busy is True and LB.remain is not None:
                  LB.remain -= 1 #剩余周期-1
                  if LB.remain == 0: #当剩余周期为0，记录指令执行完毕的时间
                      if self.inst[LB.inst].ExecComp is None and self.inst[LB.inst].rs == LB.name:
                          self.inst[LB.inst].ExecComp = self.clock
                      Load[LB.FU].free() #释放Load部件资源
      
          for ARS in self.RS.ARS.values():
              ... #同理
      
          for MRS in self.RS.MRS.values():
              ... #同理
      
          #ISSUE
          if self.PC.status is None and self.PC.value < len(self.inst): #有指令需要发射
              inst = self.inst[self.PC.value]
              res = self.RS.busy(inst)
              if res is not None:
                  if inst.Issue is None:
                      inst.Issue = self.clock #记录指令发射时间和发射指令的保留站名
                      if inst.op == Config.OP_LD:
                          inst.rs = self.RS.LB[res].name
                      elif inst.op == Config.OP_ADD or inst.op == Config.OP_SUB or inst.op == Config.OP_JUMP:
                          inst.rs = self.RS.ARS[res].name
                      elif inst.op == Config.OP_MUL or inst.op == Config.OP_DIV:
                          inst.rs = self.RS.MRS[res].name
                      else:
                          return
      
                  if inst.op == Config.OP_LD: #指令发射
                      ...
                  elif inst.op == Config.OP_ADD or inst.op == Config.OP_SUB:
                      ...
                  elif inst.op == Config.OP_MUL or inst.op == Config.OP_DIV:
                      ...
                  elif inst.op == Config.OP_JUMP:
                      ...
                  else:
                      return
                  if inst.op != Config.OP_JUMP:
                      self.PC.value += 1 #PC寄存器+1
              else:
                  pass
      
          #EXCUTE HardWare
          ready = []
          for LB in self.RS.LB.values():
              if LB.busy is True and LB.FU is None: #硬件就绪时取出保留站中就绪的指令
                  ready.append(LB)
          ready = sorted(ready, key=lambda x:x.inst) #按照指令的id排序
          loaderlist = []
          for loader in Load.values():
              if loader.status is None:
                  loaderlist.append(loader)
          lenth = min(len(ready), len(loaderlist))
          for i in range(lenth):
              loader = loaderlist[i] #将就绪的指令发送到硬件执行
              LB = ready[i]
              loader.op =  self.inst[LB.inst].op
              loader.status = LB.name
              loader.vj = LB.im
              LB.remain = Config.TIME[loader.op]
              LB.FU = loader.name
      
          ready = []
          for ARS in self.RS.ARS.values():
              ... #同理
      
          ready = []
          for MRS in self.RS.MRS.values():
              ... #同理
      
          n -= 1

    • Tomasulo.reset()方法通过调用各个部件的free()方法来重置流水线
    • Tomasulo.insert_inst()方法输入指令

UI说明

• 界面
• 按钮
  • 输入指令 输入框输入指令，或者从文件导入
    
  • 单步/多步执行 单步调试或者输入需要执行的步数来调试
  • 自动运行 自动运行模拟器，每秒运行一步直到结束，期间自动运行按钮变为暂停按钮，其他按钮不可用
    
  • 运行直到结束 运行模拟器直到所有指令运行结束
    
    此时只有清除按钮可用，其他按钮不可用
    
  • 清除 清空记录，重置模拟器

部署运行

• 编译运行 模拟器使用Python3.6编写，GUI采用PyQt5，编译运行需要先安装Python3.6以及PyQt5的相关库，命令行进入codes文件夹：
  • 运行命令行界面 python run.py core
  • 运行GUI python run.py 或 python run.py gui
• 运行Release版本： 进入release/dist文件夹运行run.exe

测试

• 测试样例在codes/static/test文件夹中，其中test0.nel为test2.nel为官方测例，剩下的为自己编写的测例，均通过了测试
• 其中test3.nel和test4.nel是综合测试，test5.nel为JUMP测试，实现0到0x10的循环
• 测试结果均正确