CSAPP Lab-4 Architecture Lab

标签：src CSAPP val list Lab Architecture quad rdi rax

本次实验是有关书上第四章设计的 Y86-64 处理器的，实验分为三个部分，分别是编写几个简单的 Y86-64 程序、使用一条新指令扩展 SEQ 模拟器以及优化 Y86-64 的基准测试程序和处理器设计。

实验准备

需要简单复习一下 Y86-64 的指令集架构以及处理器架构呢。

指令集架构

指令集：

./20230904-csapp-archlab/image-20230904203030200

指令功能码：

./20230904-csapp-archlab/image-20230904203218950

程序员可见状态：

./20230904-csapp-archlab/image-20230904203138458

以及，书上这一章似乎没有提到，但是根据上一章的内容，我们一般将 %rdi, %rsi, %rdx, %rcx 用作参数的传递，而 %rbx, %rbp, %r12~%r15 是被调用者保存寄存器，被调用的函数有义务在使用之前保存寄存器的内容。

处理器架构

./20230904-csapp-archlab/image-20230904204101080

./20230904-csapp-archlab/image-20230904204258146

这两张图是 PIPE 的硬件结构和流水线控制逻辑，当然并不完整。在我们需要的时候，我们会补充相应的示意图。

Y86-64 的程序结构

书本给我们提供了一个典型的 Y86-64 汇编程序，这将是我们完成 Part A 的参考。

./20230904-csapp-archlab/image-20230904204852913

其中，程序从 0x0 开始执行，首先将栈地址（在程序的末尾标识出来）放入 %rsp 寄存器，然后调用 main 函数，main 函数运行结束后终止程序。下面是预定义的全局数据，然后就是各个函数过程。

Part A

Part A 需要我们写三个 Y86-64 的程序，每个程序分别完成了三个函数，并发起对这些函数的调用。

这个 Part 不是很难，只需要根据汇编程序的书写语法、分支循环的转化方法以及 Y86-64 指令集的一些约束来写就可以了。

sum.ys: Iteratively sum linked list elements

要被我们转译的函数如下：

/* sum_list - Sum the elements of a linked list */
long sum_list(list_ptr ls)
{
    long val = 0;
    while (ls) {
		val += ls->val;
		ls = ls->next;
    }
    return val;
}

这个程序是对一个链表的迭代求和。实验给我们提供了一组示例数据：

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

这个部分很简单，我的程序是：

# sum_list - Sum the elements of a linked list
# by Irilsy

# Execution begins at address 0
    .pos 0
    irmovq stack, %rsp  # Set up stack pointer
    call main           # Execute main program
    halt                # Terminate program

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

main:
    irmovq ele1, %rdi
    call sum_list
    ret

sum_list:
    xorq %rax, %rax
    jmp test
loop:
    mrmovq (%rdi), %rsi
    addq %rsi, %rax
    mrmovq 8(%rdi), %rdi
test:
    andq %rdi, %rdi
    jne loop
    ret

# Stack starts here and grows to lower addresses
    .pos 0x200
stack:

在 main 函数中，我们示例数据的地址放入 %rdi，然后调用 sum_list 函数。

在 sum_list 函数中，我们用 %rax 代表 val，第一句指令将 val 清空。while 循环我们使用跳转到中间的方法实现，直接 jmp 到条件判断的位置。在循环内部，我们仍旧使用 %rdi 代表 ls 指针，(%rdi) 就是 ls->val，8(%rdi) 就是 ls->next。循环体的三句话按照含义模拟即可。在条件判断的地方，我们使用 andq 作为与 $0$ 的比较。

./20230904-csapp-archlab/image-20230904210917180

rsum.ys: Recursively sum linked list elements

这次要被我们转写的函数是：

/* rsum_list - Recursive version of sum_list */
long rsum_list(list_ptr ls)
{
    if (!ls)
    return 0;
    else {
        long val = ls->val;
        long rest = rsum_list(ls->next);
    	return val + rest;
    }
}

示例数据与前一个程序相同。这个版本是递归版的 sum_list，使用递归的方法对一个链表求和。

也很容易，按照含义模拟即可：

# rsum_list - Sum the elements of a linked list
# by Irilsy

# Execution begins at address 0
    .pos 0
    irmovq stack, %rsp  # Set up stack pointer
    call main           # Execute main program
    halt                # Terminate program

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

main:
    irmovq ele1, %rdi
    call rsum_list
    ret

rsum_list:
    xorq %rax, %rax
    andq %rdi, %rdi
    je end
    pushq %rbx
    mrmovq (%rdi), %rbx
    mrmovq 8(%rdi), %rdi
    call rsum_list
    addq %rbx, %rax
    popq %rbx
end:
    ret

# Stack starts here and grows to lower addresses
    .pos 0x200
stack:

与 sum.ys 基本一致，区别在于 rsum_list 函数的写法。仍然使用 %rax 代表 val。在函数的开头就把 %rax 清零，方便下一句的判断中如果 ls 指针为空可以直接返回。

然后，我们从内存中取出 (%rdi)（ls->val），但是需要递归调用，这个时候有两种处理方法，第一种是不把这个数据留在寄存器中，而是存储在内存里，在递归调用结束后再取出。还有一种是使用被调用者保存的寄存器 %rbx，在使用之前将 %rbx 的内容保存进栈中，然后将我们取出的数据放进 %rbx，在调用前不用特别保存，因为任何函数在使用这个寄存器前都会保存的。我是用的是第二种方法。

在调用结束后，我们将返回值和 %rbx 中的 ls->val 加起来返回即可。

./20230904-csapp-archlab/image-20230904211009323

copy.ys: Copy a source block to a destination block

这次要我们转译的函数是下面这个：

/* copy_block - Copy src to dest and return xor checksum of src */
long copy_block(long *src, long *dest, long len)
{
    long result = 0;
    while (len > 0) {
        long val = *src++;
        *dest++ = val;
        result ^= val;
        len--;
    }
    return result;
}

这个函数的功能是将从 src 开始的 len 个 long 型数据复制到 dest 处，并返回它们的异或和。

实验提供的示例数据是：

# Source block
src:
    .quad 0x00a
    .quad 0x0b0
    .quad 0xc00

# Destination block
dest:
    .quad 0x111
    .quad 0x222
    .quad 0x333

我的写法如下：

# copy_block - Sum the elements of a linked list
# by Irilsy

# Execution begins at address 0
    .pos 0
    irmovq stack, %rsp  # Set up stack pointer
    call main           # Execute main program
    halt                # Terminate program

.align 8
# Source block
src:
    .quad 0x00a
    .quad 0x0b0
    .quad 0xc00

# Destination block
dest:
    .quad 0x111
    .quad 0x222
    .quad 0x333

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

copy_block:
    xorq %rax, %rax
    irmovq $8, %r8
    irmovq $-1, %r9
    jmp test
loop:
    mrmovq (%rdi), %rcx
    addq %r8, %rdi
    rmmovq %rcx, (%rsi)
    addq %r8, %rsi
    xorq %rcx, %rax
    addq %r9, %rdx
test:
    andq %rdx, %rdx
    jg loop

# Stack starts here and grows to lower addresses
    .pos 0x200
stack:

首先是 main 函数中，src, dest, $3 分别作为 %rdi, %rsi, %rdx 传入 copy_block 函数，也就是前三个参数。

copy_block 函数中，我们使用 %rax 代表 result，val 中间变量存储在 %rcx 中。具体的代码按照含义模拟即可。需要注意的是，因为 Y86-64 指令集不支持使用立即数作为 OPq 运算操作的参数，因此我们使用 %r8 存储 $8$ 这个值，%r9 存储 $-1$ 这个值。

./20230904-csapp-archlab/image-20230904211511036

Part B

Part B 的任务看上去也不算复杂，就是实现 iaddq 指令，将立即数与寄存器相加。

这个任务可以结合书上 SEQ 结构的设计过程，一边翻书一边完成，不算太难。

首先，我们仿照下图的格式，也为 iaddq 指令做一个表格。

./20230904-csapp-archlab/image-20230904212608014

阶段	`iaddq V, rB`
取指	Icde: ifun ← M1[PC] rA:rB ← M1[PC + 1] valC ← M8[PC + 2] valP ← PC + 10
译码	valB ← R[rB]
执行	valE ← valB + valA Set CC
访存
写回	R[rB] ← valE
更新 PC	PC ← valP

然后我们来一个个看每个阶段有哪些信号需要修改。

取指阶段

取指阶段涉及的 HCL 信号如下：

信号	含义
`icode, ifun`	指令码和功能码
`instr_valid`	指令是否合法
`need_regids`	指令是否需要寄存器指示符字节
`need_valC`	指令是否包含立即数

最后的三个信号都需要修改，修改如下：

bool instr_valid = icode in 
	{ INOP, IHALT, IRRMOVQ, IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ,
	       IOPQ, IJXX, ICALL, IRET, IPUSHQ, IPOPQ, IIADDQ };
bool need_regids =
	icode in { IRRMOVQ, IOPQ, IPUSHQ, IPOPQ, 
		     IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IIADDQ };
bool need_valC =
	icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IJXX, ICALL, IIADDQ };

译码阶段和写回阶段

信号	含义
`srcA`, `srcB`	产生值 `valA, valB` 的寄存器
`dstE`	计算结果需要作为目的写入的寄存器
`dstM`	从内存中读取的值需要作为目的写入的寄存器

本阶段需要修改的是 srcB 和 dstE。

word srcB = [
	icode in { IOPQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IIADDQ } : rB;
	icode in { IPUSHQ, IPOPQ, ICALL, IRET } : RRSP;
	1 : RNONE;  # Don't need register
];
word dstE = [
	icode in { IRRMOVQ } && Cnd : rB;
	icode in { IIRMOVQ, IOPQ, IIADDQ } : rB;
	icode in { IPUSHQ, IPOPQ, ICALL, IRET } : RRSP;
	1 : RNONE;  # Don't write any register
];

执行阶段

信号	含义
`aluA, aluB`	ALU 的两个输入
`alufun`	ALU 需要执行的功能
`set_cc`	是否更新条件码

除了 alufun 都需要修改。

word aluA = [
	icode in { IRRMOVQ, IOPQ } : valA;
	icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IIADDQ } : valC;
	icode in { ICALL, IPUSHQ } : -8;
	icode in { IRET, IPOPQ } : 8;
	# Other instructions don't need ALU
];
word aluB = [
	icode in { IRMMOVQ, IMRMOVQ, IOPQ, ICALL, 
		      IPUSHQ, IRET, IPOPQ, IIADDQ } : valB;
	icode in { IRRMOVQ, IIRMOVQ } : 0;
	# Other instructions don't need ALU
];
bool set_cc = icode in { IOPQ, IIADDQ };

访存阶段

信号	含义
`mem_read`	是否从内存中读取
`mem_write`	是否向内存中写入
`mem_addr`	设置内存地址
`mem_data`	向内存写入的数据
`Stat`	状态码

不需要更新。

更新 PC 阶段

信号	含义
`new_pc`	新的 PC 地址

不需要更新。

构建和测试

按照实验的文档，我们在终端运行下面的命令构建我们的 SEQ 模拟器。

make VERSION=full

这时我们可能会遇到一个问题，提示 <tk.h> 头文件不存在。

./20230904-csapp-archlab/image-20230904222844700

必须要在这个文件夹下的 Makefile 文件中找到这三行注释掉即可。

GUIMODE=-DHAS_GUI
TKLIBS=-L/usr/lib -ltk -ltcl
TKINC=-isystem /usr/include/tcl8.5

编译成功后执行 ./ssim -t ../y86-code/asumi.yo 进行 ISA 测试：

./20230904-csapp-archlab/image-20230904223930655

测试成功！

接下来再使用基准程序进行测试：(cd ../y86-code; make testssim)

./20230904-csapp-archlab/image-20230904224134971

全部成功！

最后是回归测试，运行下面的命令测试除了 iaddq 的所有指令：(cd ../ptest; make SIM=../seq/ssim)。

./20230904-csapp-archlab/image-20230904224513594

运行下面的命令测试 iaddq 指令：(cd ../ptest; make SIM=../seq/ssim TFLAGS=-i)。

./20230904-csapp-archlab/image-20230904224641944

测试通关！

Part C

在这个部分中，实验给我们提供了一个 PIPE 结构的 HCL 实现 pipe-full.hcl，以及一个 Y86-64 程序 ncopy.ys。ncopy.ys 完成了和 Part A 中 copy.ys 类似的功能，不过返回的不是异或和，而是正数的个数。

这个任务的得分是用程序的 CPE 衡量的，如果拷贝 $N$ 个元素需要 $C$ 个时钟周期，那么这个程序的 CPE 就是 $\frac CN$，也就是每元素周期数。如果 CPE 为 $c$，那么这个部分的得分就是：

\[S = \left\{ \begin{aligned} &0,& &c > 10.5\\ &20\cdot (10.5 - c),& & 7.5 \leq c \leq 10.5\\ &60,& & c < 7.5 \end{aligned} \right. \]

也就是说，只有让 CPE 小于 $7.5$ 才能得到满分！

首先记录一下在什么修改也没有做的情况下，我们的 CPE 和得分：

./20230904-csapp-archlab/image-20230904235624417

使用 `iaddq`

原始程序中所有的加法运算都是先将立即数存储到一个寄存器中，然后进行寄存器的加法的。如果我们添加一个 iaddq 指令实现立即数与寄存器相加，那么可以减少一定的操作代价吧。

（不得不说，原始程序在每个循环内部才将立即数存储进寄存器挺傻的……在循环外部预处理以下也不至于那么慢）

pipe-full.hcl 文件修改的方法与 Part B 的部分很类似，这里不再赘述。

修改后的程序如下：

# %rdi = src, %rsi = dst, %rdx = len
ncopy:
	xorq %rax,%rax		# count = 0;
	andq %rdx,%rdx		# len <= 0?
	jle Done		# if so, goto Done:
Loop:	mrmovq (%rdi), %r10	# read val from src...
	rmmovq %r10, (%rsi)	# ...and store it to dst
	andq %r10, %r10		# val <= 0?
	jle Npos		# if so, goto Npos:
	iaddq $1, %rax		# count++
Npos:
	iaddq $-1, %rdx		# len--
	iaddq $8, %rdi		# src++
	iaddq $8, %rsi		# dst++
	andq %rdx,%rdx		# len > 0?
	jg Loop			# if so, goto Loop:
Done:
	ret

修改后的 CPE：

./20230904-csapp-archlab/image-20230905113721286

还是零分，但是进步不小！

循环展开

循环展开可以减少索引改变的次数，提升计算效率。

我采用了 $8$ 路循环展开。先写出循环展开的 C 程序版本。

word_t ncopy(word_t *src, word_t *dst, word_t len)
{
    word_t count = 0;
    word_t val;

    while (len >= 8) {
        val = *src, *dst = val;
        if (val > 0) count++;
        val = *(src + 1), *(dst + 1) = val;
        if (val > 0) count++;
        val = *(src + 2), *(dst + 2) = val;
        if (val > 0) count++;
        val = *(src + 3), *(dst + 3) = val;
        if (val > 0) count++;
        val = *(src + 4), *(dst + 4) = val;
        if (val > 0) count++;
        val = *(src + 5), *(dst + 5) = val;
        if (val > 0) count++;
        val = *(src + 6), *(dst + 6) = val;
        if (val > 0) count++;
        val = *(src + 7), *(dst + 7) = val;
        if (val > 0) count++;
        len -= 8, src += 8, dst += 8;
    }
    while (len) {
        val = *src++, *dst++ = val;
        if (val > 0) count++;
    }
    return count;
}

转写为汇编程序：

ncopy:
	xorq %rax,%rax		# count = 0;
	jmp Npos
Loop0:
	mrmovq (%rdi), %r10	# read val from src...
	rmmovq %r10, (%rsi)	# ...and store it to dst
	andq %r10, %r10		# val <= 0?
	jle Loop1			# if so, goto Npos:
	iaddq $1, %rax		# count++
Loop1:
	mrmovq 8(%rdi), %r10	# read val from src...
	rmmovq %r10, 8(%rsi)	# ...and store it to dst
	andq %r10, %r10		# val <= 0?
	jle Loop2			# if so, goto Npos:
	iaddq $1, %rax		# count++
Loop2:
	mrmovq 16(%rdi), %r10	# read val from src...
	rmmovq %r10, 16(%rsi)	# ...and store it to dst
	andq %r10, %r10		# val <= 0?
	jle Loop3			# if so, goto Npos:
	iaddq $1, %rax		# count++
Loop3:
	mrmovq 24(%rdi), %r10	# read val from src...
	rmmovq %r10, 24(%rsi)	# ...and store it to dst
	andq %r10, %r10		# val <= 0?
	jle Loop4			# if so, goto Npos:
	iaddq $1, %rax		# count++
Loop4:
	mrmovq 32(%rdi), %r10	# read val from src...
	rmmovq %r10, 32(%rsi)	# ...and store it to dst
	andq %r10, %r10		# val <= 0?
	jle Loop5			# if so, goto Npos:
	iaddq $1, %rax		# count++
Loop5:
	mrmovq 40(%rdi), %r10	# read val from src...
	rmmovq %r10, 40(%rsi)	# ...and store it to dst
	andq %r10, %r10		# val <= 0?
	jle Loop6			# if so, goto Npos:
	iaddq $1, %rax		# count++
Loop6:
	mrmovq 48(%rdi), %r10	# read val from src...
	rmmovq %r10, 48(%rsi)	# ...and store it to dst
	andq %r10, %r10		# val <= 0?
	jle Loop7			# if so, goto Npos:
	iaddq $1, %rax		# count++
Loop7:
	mrmovq 56(%rdi), %r10	# read val from src...
	rmmovq %r10, 56(%rsi)	# ...and store it to dst
	iaddq $64, %rdi		# src += 8
	iaddq $64, %rsi		# dst += 8
	andq %r10, %r10		# val <= 0?
	jle Npos		# if so, goto Npos:
	iaddq $1, %rax		# count++
Npos:
	iaddq $-8, %rdx		# len -= 8
	jge Loop0			# if so, goto Loop:
	iaddq $8, %rdx
	jle Done
Small:
	mrmovq (%rdi), %r10	# read val from src...
	rmmovq %r10, (%rsi)	# ...and store it to dst
	andq %r10, %r10		# val <= 0?
	jle Test			# if so, goto Npos:
	iaddq $1, %rax		# count++\
Test:
	iaddq $8, %rdi
	iaddq $8, %rsi
	iaddq $-1, %rdx
	jg Small
Done:
	ret

成功把 CPE 降低到了 $9.30$！

./20230904-csapp-archlab/image-20230905125225744

避免加载/使用冒险

注意到下面这样的语句会引起加载/使用冒险，导致一定会引起一个气泡。

mrmovq (%rdi), %r10	# read val from src...
rmmovq %r10, (%rsi)	# ...and store it to dst

我们可以将两次从内存中读取和两次向内存写入分别合并起来，以此来避免这样的冒险。

mrmovq (%rdi), %r10
mrmovq 8(%rdi), %r11
rmmovq %r10, (%rsi)
rmmovq %r11, 8(%rsi)

这一步的成果非常显著，我们的 CPE 一下子降低到了 $8.52$。

./20230904-csapp-archlab/image-20230905131212954

再补一个循环展开

注意到我们上一个版本的循环展开中，因为对于剩余的数据没有进行循环展开，导致这个剩余数据的处理中，依然存在加载/使用冲突。我们在这个版本中，将剩余的数据也进行了循环展开，以及消除气泡。

Npos:
	iaddq $-8, %rdx		# len -= 8
	jge Loop0			# if so, goto Loop:
	iaddq $8, %rdx
	jmp Test
L2_1:
	mrmovq (%rdi), %r10	# read val from src...
	mrmovq 8(%rdi), %r11	# read val from src...
	rmmovq %r10, (%rsi)	# ...and store it to dst
	rmmovq %r11, 8(%rsi)	# ...and store it to dst
	andq %r10, %r10		# val <= 0?
	jle L2_2			# if so, goto Npos:
	iaddq $1, %rax		# count++
L2_2:
	iaddq $16, %rdi
	iaddq $16, %rsi
	andq %r11, %r11		# val <= 0?
	jle Test			# if so, goto Npos:
	iaddq $1, %rax		# count++
Test:
	iaddq $-2, %rdx
	jge L2_1
	iaddq $2, %rdx
	jle Done
	mrmovq (%rdi), %r10	# read val from src...
	rmmovq %r10, (%rsi)	# ...and store it to dst
	andq %r10, %r10		# val <= 0?
	jle Done			# if so, goto Npos:
	iaddq $1, %rax		# count++

效果依然十分显著，CPE 降低到 $8.08$，得分提升到 $48.3$。

./20230904-csapp-archlab/image-20230905134739914

其它优化

将开头的 xorq %rax, %rax 删去，因为程序运行时 %rax 自动被初始化为 $0$ 了。但是这个优化不具备普适性，只能在这个程序中使用。

./20230904-csapp-archlab/image-20230905153446004

提升并不显著，只有 $1$ 分左右。

另外，还有一种优化的方法是将循环展开剩余的部分全部展开写出，使用二分查找的方式定位到展开的代码中。这种方法我尝试过，但是不知道为什么实现的效果并不好。还是等以后有空再尝试继续优化这个方面吧！

标签：src,CSAPP,val,list,Lab,Architecture,quad,rdi,rax
From： https://www.cnblogs.com/hankeke303/p/18155092/csapp-archlab

实验准备

指令集架构

处理器架构

Y86-64 的程序结构

Part A

sum.ys: Iteratively sum linked list elements

rsum.ys: Recursively sum linked list elements

copy.ys: Copy a source block to a destination block

Part B

取指阶段

译码阶段和写回阶段

执行阶段

访存阶段

更新 PC 阶段

构建和测试

Part C

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Part B

取指阶段

译码阶段和写回阶段

执行阶段

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