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Tomasulo 实验报告

本次实验要求实现一个 Tomasulo 的模拟器。在完成基本要求的基础上，实现了 Jump 指令的支持，并且另外编写了一个不采用 Tomasulo 直接逐指令模拟的模拟器，通过比对两个模拟器的输出，判断执行结果是否正确。

代码组织

主要有三个源文件：

  1. parser.cpp: 解析 NEL 代码
  2. tomasulo.cpp：实现 Tomasulo 模拟器
  3. simulator.cpp：实现非 Tomasulo 模拟器

编译方法：

$ mkdir build
$ cd build
$ cmake .. -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
$ make

编译会生成两个可执行文件：tomasulo 和 simulator，分别对应上面的两个模拟器。

Tomasulo 模拟器的执行

在上一步编译完成后，可以运行 build/tomasulo 进行一次模拟，它的参数如下：

Usage: ./tomasulo input_nel output_log [output_trace] [output_reg]

第一个参数必选，为输入的 nel 文件。 第二个参数必选，为输出的 log 文件，满足实验要求。 第三个参数可选，为输出的 trace 文件，内容是每个周期的调试信息。 第四个参数可选，为输出的 reg 文件，内容是执行完毕时寄存器的信息。

如果只需要输出 log 文件，传递两个参数即可。

Trace 文件里面有每个周期的信息，一个例子（取自 Example）：

Cycle: 1
Reservation Stations:
LB 9: LOAD vj=00000002
Execution Unit:
Load 5: LOAD rd=01 vj=00000002 cycles=3
Register Status:
R[01]=9

表示了各个保留站、执行单元和寄存器状态的信息。为了简单期间，Load Buffer 和 Reservation Station 进行了合并，这里的编号都是全局的，从 0 开始，与课件上表示方法不同，有如下的对应关系：

保留站：
Ars 1 <-> Ars 0
Ars 2 <-> Ars 1
Ars 3 <-> Ars 2
Ars 4 <-> Ars 3
Ars 5 <-> Ars 4
Ars 6 <-> Ars 5
Mrs 1 <-> Mrs 6
Mrs 2 <-> Mrs 7
Mrs 3 <-> Mrs 8
LB 1 <-> LB 9
LB 2 <-> LB 10
LB 3 <-> LB 11

功能单元：
Add 1 <-> Add 0
Add 2 <-> Add 1
Add 3 <-> Add 2
Mult 1 <-> Mult 3
Mult 2 <-> Mult 4
Load 1 <-> Load 5
Load 2 <-> Load 6

Reg 文件每行表示一个寄存器的值。

非 Tomasulo 模拟器的执行

为了验证 Tomasulo 模拟器的正确性，额外编写了一个逐指令模拟的模拟器 build/simulator。参数如下：

Usage: ./simulator input_nel output_trace output_reg

第一个参数是输入的 nel 文件 第二个参数是输出的 trace 文件，记录每个周期写回的信息。 第三个参数是输出的 reg 文件，记录执行完毕时寄存器的状态。

Tomasulo 模拟器正确性验证

首先，按照所给的 Example 的输出，生成其对应的 trace，与 pdf 课件上一一对比，完全吻合。

其次，对于提供的所有 nel 测例，都用两个模拟器执行，将执行结果的寄存器状态进行比对（在 TestCase 目录下执行 make diff 即可）。

Tomasulo模拟器设计思路

第一步，首先是解析输入的 nel 文件，在 parser.cpp 中完成。

接着，按照要求，初始化好保留站和执行单元，接着开始 Tomasulo 的模拟。

Tomasulo 主要分以下三部分逻辑：

  1. 发射：把 pc 指向的指令发射到某个保留站中
  2. 执行：把保留站中的指令发送到执行单元中
  3. 执行完成（和紧接着的写回）：执行单元执行结束后，广播到 CDB 更新保留站并更新寄存器堆和寄存器状态信息

先不考虑 Jump 指令的话，每个部分的逻辑如下：

发射：按照当前 pc 指向的指令，寻找可以匹配的保留站；如果有空的保留站，则把指令发射到保留站里，并更新寄存器状态。

执行：对于每个执行单元，找到一个同样类型的有尚未执行的指令的保留站，如果操作数都已经就绪，就从中取出指令并开始执行。

执行完成（和紧接着的写回）：对于每个执行单元，如果执行完毕，则要释放对应的保留站，并且把操作数填入到需要该执行结果的保留站中，更新寄存器状态和寄存器堆。为了方便，在保证正确性的前提下，把执行完成和写回放在了一起。

为了和提供的 Example 的模拟过程对应，在各个阶段的判断设置了顺序，保证和模拟过程一致。

为了实现 Jump，需要做这些更改：

发射的时候，如果此时有一条 Jump 指令已经发射但尚未写回，就先不发射。发射的时候，把 Jump 发射到 AddSub 的保留站里，并认为是一个 Reg - Imm 的 操作，此时只有一个寄存器的依赖。

执行完成的时候，并不是写入目标寄存器，而是按照减法的结果修改 pc 。此时就可以把发射阶段的 stall 解除。

最后，按照要求记录每条指令第一次的执行情况，输出到文件即可。

编写的时候容易出现问题的地方：

  1. 写回寄存器状态时要注意判断保留站是否一致
  2. Jump 指令没有目标寄存器，源寄存器只有一个
  3. 同一个周期里，一条指令可以同时到保留站和执行单元