Bài thí nghiệm Kiến trúc máy tính 3

Bài 3. Hoạt động của bộ đệm, tối ưu hóa bộ đệm(Bài thí nghiệm này được biên soạn dựa trên bài thí nghiệm môn học Kỹ thuật máy tính của F. Lundevall, Khoa công nghệ thông tin và truyền thông, Học viện công nghệ Hoàng gia, Thụy Điển [1])1 Mục đíchTrong bài thí nghiệm này sinh viên sẽ tìm hiểu bộ đệm trong bộ xử lý MIPS và học cách tối ưu hóa các tham số bộ đệm, hoặc cách thay đổi cấu trúc chương trình để có được hiệu suất tính toán cao hơn....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài thí nghiệm Kiến trúc máy tính 3 Bài thí nghiệm Kiến trúc máy tính 3 2010 Bài 3. Hoạt động của bộ đệm, tối ưu hóa bộ đệm (Bài thí nghiệm này được biên soạn dựa trên bài thí nghiệm môn học Kỹ thuật máy tính của F. Lundevall, Khoa công nghệ thông tin và truyền thông, Học viện công nghệ Hoàng gia, Thụy Điển [1]) 1 Mục đích Trong bài thí nghiệm này sinh viên sẽ tìm hiểu bộ đệm trong bộ xử lý MIPS và học cách tối ưu hóa các tham số bộ đệm, hoặc cách thay đổi cấu trúc chương trình để có được hiệu suất tính toán cao hơn. 2 Công cụ Bài thí nghiệm sử dụng bộ phần mềm MIPSIT [1] để mô phỏng hoạt động của một hệ thống máy tính dựa trên bộ xử lý MIPSIT. 3 Lý thuyết Sinh viên cần nắm rõ về bộ đệm; các tham số của bộ đệm mà có ảnh hưởng đến hiệu suất tính toán của bộ xử lý. Ngoài ra sinh viên cần có kiến thức về cách sắp xếp các lệnh máy và các biến trong bộ nhớ (eng. memory mapping). (bài giảng chương 2, chương 3). Sách tham khảo [3]. Sinh viên cần hiểu các khái niệm trong bộ đệm như: tỉ lệ trúng (eng. hit rate), tổn hao trượt (eng. miss penalties), thời gian truy cập (eng. access time), bộ đệm ánh xạ trực tiếp (eng. direct mapped cache), bộ đệm kết hợp toàn phần (eng. fully associative cache), bộ đệm kết hợp k đường (eng. k- way associative cache). 4 Thực hiện 4.1 Cài đặt và làm quen với phần mềm 4.1.1 Cài đặt Tải bộ công cụ MIPSIT từ địa chỉ: https://sites.google.com/site/fethutca/my-forms/MipsICT.zip?attredirects=0&d=1. Giải nén tệp “MipsICT.zip” và chạy tệp nhận được “MipsICT.exe” để phầm mềm tự giải nén vào thứ mục: “C:MipsIT”. Trong bộ phần mềm MIPSIT, ta sẽ sử dụng 2 phần mềm MIPSITStudio (xem bài thí nghiệm số 2) và Mips Simulator. 4.1.2 Giới thiệu MIPSITStudio Mipsitstudio là phần mềm mô phỏng hoạt động của hệ thống máy tính dựa trên bộ xử lý MIPS. Gọi chương trình bằng cách chạy tệp “C:MipsITinMips.exe” (Hình 1). Phầm mềm mô phỏng việc thực hiện một chương trình (được biên dịch bằng MIPSITStudio) trên một hệ thống máy tính gồm: 1. Bộ xử lý MIPS (CPU) 2. Bộ đệm lệnh (I-Cache) 3. Bộ đệm dữ liệu (D-Cache) 4. Bộ nhớ chính (RAM) 5. Cửa sổ console (Console)Khoa Điện tử- Viễn thông Page 1 Bài thí nghiệm Kiến trúc máy tính 3 2010 6. Thiết bị ngoại vi (I/O) Cửa sổ hiển thị trạng thái của các khối trong hệ thống nói trên được mở bằng cách bấm vào các khối tương ứng trên sơ đồ khối ở Hình 1. Hình 1. Chương trình mô phỏng hệ thống máy tính dùng CPU MIPS. Hình 2. Cửa sổ hiển thị trạng thái của bộ xử lý (Register), bộ nhớ chính (Memory), vào ra (Input&Output), và cửa sổ Console.Khoa Điện tử- Viễn thông Page 2 Bài thí nghiệm Kiến trúc máy tính 3 2010 Trạng thái của CPU là giá trị của các thanh ghi hiển thị trong cửa sổ thanh ghi (Hình 2). Trạng thái của RAM là nội dung các ô nhớ (Hình 2). Trạng thái của Console là cửa sổ hiển thị nội dung được chương trình ghi ra bằng câu lệnh in ra màn hình ví dụ như “printf” (Hình 2). Trạng thái của I/O là cửa sổ hiển thị nội dung các cổng điều khiển đèn LED ra và các công tắc vào (Hình 2). Cửa sổ D-Cache và I-Cache hiển thị cấu trúc bộ đệm (ánh xạ trực tiếp, kết hợp toàn phần, hay kết hợp k đường) và nội dung lưu trong bộ đệm (Hình 3). Hình 3. Cửa sổ hiển thị trạng thái bộ đệm lệnh (I-Cache) và bộ đệm dữ liệu (D-Cache). 4.1.3 Thiết lập tham số bộ đệm Trước khi thực hiện mô phỏng, các tham số của bộ đệm cần được thiết lập bằng cách lựa chọn menu “Edit->Cache/Mem Config”. Trong các tab “Inst. Cache” và “Data Cache” của cửa sổ thiết lập (Hình 4), các tham số cấu trúc của bộ đệm lệnh và bộ đệm dữ liệu như kích thước bộ đệm (eng. size), kích thước đường/khối (eng. block size), số lượng đường/khối trong tập (eng. blocks in sets). (Cần chú ý số lượng đường sẽ xác định loại bộ đệm: ánh xạ trực tiếp, kết hợp toàn phần hoặc kết hợp k đường). Ngoài ra, với bộ đệm dữ liệu, ta có thể thiết lập chính sách thay thế (eng. Replacement p ...