[CSAPP] Architecture Lab 实验笔记

这章讲了处理器体系结构,就CPU是怎样构成的.看到时候跃跃欲试,以为最后实验是真要去造个CPU,配套资料也是一如既往的豪华,合计四十多页的参考手册,一大包的源码和测试程序.意料之外是具体考你的不是"炼丹"(指沙土炼硅造芯),而是处理器级别的优化,要把处理器的性能榨干才能得满分.不愧是CMU,榨得我已经一滴脑汁也没有了,最后还只得了八成的分.
通过上次实验我知道了CMU喜欢给头铁之人留几个零头,所以剩下两成分我也不追求了.(耻辱下播)

前期准备

下载讲义和解压的部分略过,这里一讲各种依赖的设置.基本上就是make的时候缺啥补啥.
我用的系统是Unbutu,直接apt-get大法

sudo apt-get install tcl8.5-dev tk8.5-dev flex

Part A

这一部分是用Y86-64指令集把几个C程序实现成汇编形式来热热身.说来也巧,这次的几道汇编题里的优化小技巧都是我从几年前玩《人力资源机器》里学来的.
Y86-64指令集概括为:

RF:程序寄存器
rax,rbx,rcd,rdx,
rsp,rbp,rsi,rdi,
r8~r14

CC:条件码
ZF,SF,OF

指令集:
halt
nop
rrmovq
irmovq
rmmovq
mrmovq
OPq(subq,addq,andq,xorq)
jXX(jmp,jle,jl,je,jne,jge,jg)
cmovXX(le,l,e,ne,ge,g)
call
ret
pushq
popq

注意这一部分需要我们内嵌测试代码,即在实现的时候需要手动在代码里添加运行栈,主函数,启动函数和测试数据,并且源文件末尾要空一行

sum_list

这一题我在用yis运行这段代码时结果错误,用ssim运行则正常,我认为时yis有问题

#init function
    .pos 0x0
    irmovq stack,%rsp
    call main
    ret

# Sample linked list
    .pos 0x200
    .align 8
ele1:
    .quad 0x00a
    .quad ele2
ele2:
    .quad 0x0b0
    .quad ele3
ele3:
    .quad 0xc00
    .quad 0

# main function
main:
    irmovq ele1,%rdi
    call sum_list
    ret

# sum_list function
sum_list:
    irmovq $0,%rax
    jmp L1
L2:
    mrmovq (%rdi),%rbx
    addq %rbx,%rax
    mrmovq 8(%rdi),%rdi
L1:
    andq %rdi,%rdi
    jne L2
    ret

#alloc stack space
    .pos 0x1000
stack:

rsum_list

#init function
    .pos 0x0
    irmovq stack,%rsp
    call main
    ret

# Sample linked list
    .pos 0x200
    .align 8
ele1:
    .quad 0x00a
    .quad ele2
ele2:
    .quad 0x0b0
    .quad ele3
ele3:
    .quad 0xc00
    .quad 0

# main function
main:
    irmovq ele1,%rdi
    call rsum_list
    ret

# rsum_list function
rsum_list:
    andq %rdi,%rdi
    je L1
    mrmovq (%rdi),%rbx
    mrmovq 8(%rdi),%rdi
    pushq %rbx
    call rsum_list
    popq %rbx
    addq %rbx,%rax
    ret
L1:
    irmovq $0,%rax
    ret

#alloc stack space
    .pos 0x1000
stack:

copy_block

#init function
    .pos 0x0
    irmovq stack,%rsp
    call main
    ret

.align 8
# Source block
src:
.quad 0x00a
.quad 0x0b0
.quad 0xc00
# Destination block
dest:
.quad 0x111
.quad 0x222
.quad 0x333


# main function
main:
    irmovq src,%rdi
    irmovq dest,%rsi
    irmovq $3,%rdx
    call copy_block
    ret

# copy_block function
copy_block:
    irmovq $8,%r8
    irmovq $1,%r9
    irmovq $0,%rax
    addq %r9,%rdx
    jmp L2
L1:
    mrmovq (%rdi),%rbx
    addq %r8,%rdi
    rmmovq %rbx,(%rsi)
    addq %r8,%rsi
    xorq %rbx,%rax
L2:
    subq %r9,%rdx
    jne L1
    ret

#alloc stack space
    .pos 0x1000
stack:

Part B

这部分要求为处理器增加一个iaddq指令,参考课本的图4.18,很容易写出iaddq对应的各个阶段

fetch:
icode:ifun <- M1[PC]
rA:rB <- M1[PC+1]
valC <- M8[PC+2]
valP <- PC+10

decode:
valB <- R[rB]

execute:
valE <-  valB OP valC
set CC

memory:
NONE

write back:
R[rB] <- valE

PC update:
PC <- valP

然后在seq-full.hcl文件里搜索IRRMOVQ和IOPQ相关项并修改之即可

--- ~/Desktop/seq-full.hcl
+++ ~/Desktop/sim/seq/seq-full.hcl
@@ -106,16 +106,16 @@
 
 bool instr_valid = icode in 
 	{ INOP, IHALT, IRRMOVQ, IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ,
-	       IOPQ, IJXX, ICALL, IRET, IPUSHQ, IPOPQ };
+	       IOPQ, IJXX, ICALL, IRET, IPUSHQ, IPOPQ, IIADDQ };
 
 # Does fetched instruction require a regid byte?
 bool need_regids =
 	icode in { IRRMOVQ, IOPQ, IPUSHQ, IPOPQ, 
-		     IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ };
+		     IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IIADDQ };
 
 # Does fetched instruction require a constant word?
 bool need_valC =
-	icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IJXX, ICALL };
+	icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IJXX, ICALL, IIADDQ };
 
 ################ Decode Stage    ###################################
 
@@ -128,7 +128,7 @@
 
 ## What register should be used as the B source?
 word srcB = [
-	icode in { IOPQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ  } : rB;
+	icode in { IOPQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IIADDQ  } : rB;
 	icode in { IPUSHQ, IPOPQ, ICALL, IRET } : RRSP;
 	1 : RNONE;  # Don't need register
 ];
@@ -136,7 +136,7 @@
 ## What register should be used as the E destination?
 word dstE = [
 	icode in { IRRMOVQ } && Cnd : rB;
-	icode in { IIRMOVQ, IOPQ} : rB;
+	icode in { IIRMOVQ, IOPQ, IIADDQ} : rB;
 	icode in { IPUSHQ, IPOPQ, ICALL, IRET } : RRSP;
 	1 : RNONE;  # Don't write any register
 ];
@@ -152,7 +152,7 @@
 ## Select input A to ALU
 word aluA = [
 	icode in { IRRMOVQ, IOPQ } : valA;
-	icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ } : valC;
+	icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IIADDQ } : valC;
 	icode in { ICALL, IPUSHQ } : -8;
 	icode in { IRET, IPOPQ } : 8;
 	# Other instructions don't need ALU
@@ -161,7 +161,7 @@
 ## Select input B to ALU
 word aluB = [
 	icode in { IRMMOVQ, IMRMOVQ, IOPQ, ICALL, 
-		      IPUSHQ, IRET, IPOPQ } : valB;
+		      IPUSHQ, IRET, IPOPQ, IIADDQ } : valB;
 	icode in { IRRMOVQ, IIRMOVQ } : 0;
 	# Other instructions don't need ALU
 ];
@@ -173,7 +173,7 @@
 ];
 
 ## Should the condition codes be updated?
-bool set_cc = icode in { IOPQ };
+bool set_cc = icode in { IOPQ, IIADDQ };
 
 ################ Memory Stage    ###################################

一个小插曲是因为各种库更新换代,部分源代码失效导致我编译ssim的时候报错了

USER@NAME:~/sim/seq$ make ssim VERSION=std
# Building the seq-std.hcl version of SEQ
../misc/hcl2c -n seq-std.hcl <seq-std.hcl >seq-std.c
gcc -Wall -O2 -isystem /usr/include/tcl8.5 -I../misc -DHAS_GUI -o ssim \
	seq-std.c ssim.c ../misc/isa.c -L/usr/lib -ltk -ltcl -lm
/tmp/ccmcBZXH.o:(.data.rel+0x0)：对‘matherr’未定义的引用
collect2: error: ld returned 1 exit status
Makefile:44: recipe for target 'ssim' failed
make: *** [ssim] Error 1

我的解决方法就是把所有带matherr的相关代码注释掉,主要就下面这两行.这两行没有在别处调用,且注释后在我整个实验过程中没有遇到任何副作用,大可放心.

extern int matherr();
int *tclDummyMathPtr = (int *) matherr;

Part C

要求首先在pipe-full.hcl实现iaddq指令,这部分照抄上面就行.然后对ncopy.ys汇编文件和进行pipe-full.hcl效率优化.要使之效率提高一半以上才有分数,蛮有难度的,我第一次优化完看见零分直接傻了.最后一同乱搞终于拿了47/60的分
这里讲一下的思路:
先通过CSAPP4.5.8节可知,我们这里可以对流水线的优化有:

• 加载/使用冒险: 即在一条从内存读出一个值的指令和一条使用这个值的指令间,流水线必会暂停一个周期.可以通过避免使用刚从内存里读出的值解决.
• 预测错误分支: 在分支逻辑发现不该选择分支之前,分支目标处几条指令已经进入流水线了.必须取消这些指令,并从跳转指令后面的那条指令开始取指.可以通过重新架构硬件更改处理器预测逻辑,或者写代码时迎合处理器预测逻辑解决.
  后者难度太高,我们主要优化前者,具体方法是在rmmovq或popq指令后避免使用刚读入的值.
  另外根据讲义提示,还可以参考CSAPP5.8节,通过循环展开,减少迭代判断语句的执行次数进行优化.举例子:

//展开前
for(int i=0;i<N;i++) sum+=a[i];
//二路展开后
for(int i=0;i<N;i+=2) sum+=a[i]+a[i+1];

我的方法是先六路展开,再二路展开,最后处理剩下的那一个.
另外rmmovq和mrmovq间的空隙不能浪费,不如再重复一边填充之

	xorq %rax,%rax
	jmp StartLoop6

Loop6:
	mrmovq (%rdi),%r8
	mrmovq 8(%rdi),%r9
	rmmovq %r8,(%rsi)
	rmmovq %r9,8(%rsi)
	andq %r8,%r8
	jle L61
	iaddq $1,%rax
L61:	
	andq %r9,%r9
	jle L62
	iaddq $1,%rax
L62:
	
	mrmovq 16(%rdi),%r8
	mrmovq 24(%rdi),%r9
	rmmovq %r8,16(%rsi)
	rmmovq %r9,24(%rsi)
	andq %r8,%r8
	jle L63
	iaddq $1,%rax
L63:	
	andq %r9,%r9
	jle L64
	iaddq $1,%rax
L64:

	mrmovq 32(%rdi),%r8
	mrmovq 40(%rdi),%r9
	rmmovq %r8,32(%rsi)
	rmmovq %r9,40(%rsi)
	andq %r8,%r8
	jle L65
	iaddq $1,%rax
L65:	
	andq %r9,%r9
	jle L66
	iaddq $1,%rax
L66:

	iaddq $48,%rdi
	iaddq $48,%rsi
StartLoop6:
	iaddq $-6,%rdx
	jge Loop6
	
	iaddq $6,%rdx
	jmp StartLoop2
Loop2:
	mrmovq (%rdi),%r8
	mrmovq 8(%rdi),%r9
	rmmovq %r8,(%rsi)
	rmmovq %r9,8(%rsi)
	andq %r8,%r8
	jle L21
	iaddq $1,%rax
L21:	
	andq %r9,%r9
	jle L22
	iaddq $1,%rax
L22:

	iaddq $16,%rdi
	iaddq $16,%rsi
StartLoop2:
	iaddq $-2,%rdx
	jge Loop2

	mrmovq (%rdi),%rbx
	iaddq $1,%rdx
	jne Done
	rmmovq %rbx,(%rsi)
	andq %rbx,%rbx
	jle Done
	iaddq $1,%rax