CSAPP: Architecture Lab

介绍

本实验是将CSAPP家庭作业后面的几个问题组合成实验作业。在实验中，我们需要修改处理器的HCL描述来增加新的指令、修改循环策略等，修改后的处理器能够被模拟，并通过运行自动化测试检测。

在本实验中，我们需要掌握Y86相关汇编语言的操作、以及对于Y86 HCL描述，并且对于流水线、程序的优化有一定的了解。

实验准备

1. 下载实验包：archlab-handout.tar
   （1）相关实验包可以到以下地址下载，里面还包含详细的答案，原始tar在CSAPP Lab original tar 文件夹下https://github.com/Davon-Feng/CSAPP-Labs。本文解答的内容在yzf-archlab_handout文件夹中
   https://github.com/Davon-Feng/CSAPP-Labs/tree/master/yzf-archlab-handout

   （2）载入tar文件后，需要运用 tar xvf archlab-handout.tar将文件解压。里面包含README, Makefile, sim.tar, archlab.ps, archlab.pdf, and simguide.pdf.

   （3）然后运用tar命令解压sim.tar文件，进入sim文件夹执行以下命令

   unix > cd simunix > make clean ; make

在make过程中遇到以下问题：（1）.usr/bin/ld: cannot find -lfl （2）.make: bison：命令未找到 (3) .make: flex：命令未找到
对于第（1）个问题，运用sudo apt-get install libfl.so解决
对于第（2、3）个问题，运用sudo apt-get install bison flex解决

2.学习和掌握《深入理解计算机系统》第二版中第4章、第五章

Part A

该实验中的任务为在sim/misc文件夹中，运用Y86指令撰写并且模拟example.c文件中的三个函数的功能。并且运用YAS进行编译，运用YIS进行运行。Y86汇编程序的编写规则见CSAPP书本的P237页，Y86程序
本博主实现代码文件，见之前链接下载文件中sim/misc文件夹下的如下所示文件

相关编译运行代码如下
unix > ./yas A-sum.ys
unix > ./yis A-sum.yo

1. 对下面的链接Sample linked list数据进行操作，实现sum_list（）函数的功能

# Sample linked list  实验数据        .align 4        ele1:                .long 0x00a                .long ele2                .long 0x0b0                .long ele3        ele3:                .long 0        ele2:                .long 0xc00        /* linked list element */ 链表的定义        typedef struct ELE {            int val;            struct ELE *next;        } *list_ptr;

对于该实验要求作出的解答如下：

# 函数执行开始地址为0        .pos    0 init:  irmovl  Stack, %esp        irmovl  Stack, %ebp        call    Main        halt # Sample linked list 函数操作中需要运用到的数据定义        .align  4 ele1:          .long   0x00a        .long   ele2 ele2:          .long   0x0b0        .long   ele3ele3:           .long    0xc00        .long   0#定义Main函数，调用sum_list函数Main:   pushl   %ebp        rrmovl  %esp,   %ebp        irmovl  ele1 ,  %eax        pushl   %eax        call    sumlist        rrmovl  %ebp , %esp        popl    %ebp        ret# int sum_list(list_ptr ls) 相关sum_list 函数的实现sumlist:            pushl   %ebp        rrmovl  %esp ,%ebp        xorl    %eax,%eax       #the return val  = 0        mrmovl  8(%ebp) , %edx        andl    %edx , %edx     #ls == 0 ?        je  End                          Loop:   mrmovl  (%edx) , %ecx       #ls->val  ==> %ecx        addl    %ecx , %eax         #val += ls->val        irmovl  $4 , %edi              addl    %edi , %edx         #next ==> edx        mrmovl (%edx),  %esi                rrmovl  %esi , %edx         #ls->next ==>edx        andl    %edx , %edx         #set condition codes        jne Loop                    #if ls != 0 goto LoopEnd:    rrmovl  %ebp , %esp        popl    %ebp        ret     #定义栈的起始地址        .pos 0x100Stack:

运行结果如下，正确答案在%eax寄存器中

2.模拟example函数里面的rsum_list函数，是sum_list函数的递归版本，初始，数据，Mian函数和栈代码与sum_list的均相同。下面仅显示rsum_list的实现。相关运行命令行，和运行结果与sum_list相同

rsum_list:        pushl   %ebp        rrmovl  %esp , %ebp        pushl   %ebx        irmovl  $4 , %esi        subl    %esi , %esp        xorl    %eax , %eax        mrmovl  8(%ebp),%edx        andl    %edx , %edx        je  End        mrmovl (%edx) , %ebx        irmovl  $4 , %esi        addl    %esi , %edx        mrmovl (%edx) , %edi        rmmovl  %edi , (%esp)        call    rsum_list        addl    %ebx , %eax    End:            addl    %esi , %esp        popl    %ebx        popl    %ebp        ret

3.copy_block函数，拷贝源地址数据到目标地址，并且计算所有数据Xor值，相关实现代码如下所示。

    .pos    0init:   irmovl  Stack,  %esp        irmovl  Stack,  %ebp        call    Main        halt    .align 4# Source blocksrc:        .long 0x00a        .long 0x0b0         .long 0xc00# Destination blockdest:         .long 0x111         .long 0x222        .long 0x333Main:   pushl   %ebp        rrmovl  %esp , %ebp        irmovl  $12 , %esi        subl    %esi , %esp        irmovl  src , %eax        rmmovl  %eax , (%esp)        irmovl  dest , %eax        rmmovl %eax , 4(%esp)        irmovl  $3, %eax        rmmovl %eax, 8(%esp)        call    copy_block        irmovl  $12 , %esi        addl    %esi , %esp         popl    %ebp        ret copy_block:        pushl   %ebp        rrmovl  %esp, %ebp        xorl    %eax , %eax        mrmovl  12(%ebp) , %edx     #edx <==>dest        mrmovl  8(%ebp) , %esi      #esi <==> src        mrmovl  16(%ebp),%ecx       #ecx <==> len        andl    %ecx, %ecx        je  EndLoop:   mrmovl   (%esi) , %ebx        rmmovl  %ebx , (%edx)       #copy src value to dest        xorl    %ebx , %eax         #compute the value ^= val        irmovl  $4 ,  %edi              addl    %edi , %edx         #dest++        addl    %edi , %esi         #src++        irmovl  $1,%edi                     subl    %edi , %ecx         #len--        jne LoopEnd:    popl    %ebp        ret        .pos    0x100 Stack:

相关运行结果：关注寄存器%eax中和0x00000111 ~ 0x000000333存储器中的答案

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Part B

本实验的工作目录在sim/seq文件夹下，修改seq-full.hcl文件，添加新指令。

实验要求：相关指令的实现需求见《深入理解计算机系统》P310
（1）实现 iaddl指令 要求见练习题4.48、4.50，可以参考irmovl、opl的实现
（2）实现 leave指令 要求见练习题4.47、4.49，可以参考popl的实现

首先修改seq-full.hcl文件需要于都CSAPP处理器体系结构相关章节内容。实验的评分要求中，还需要写出iaddl、leave在顺序实现中的计算过程。
结合irmovl、opl的计算过程，通过分析，我们得到iaddl的计算过程如下：

结合popl的，结合leave指令分析分析得到：
%ebp-new = （%ebp-old） (新ebp指向的地址等于原ebp指针指向的存储器地址中的内容)
%esp-new = %ebp-old+4 （新esp指向的地址为原ebp指向的地址+0x4）
结合分析得到如下的计算过程

相关seq-full文件的修改如下所示：相关文件见下载链接中的seq-full.hcl文件

1. 取指阶段：
   

2. 译码与写回阶段：
   

3. 执行阶段：
   
4. 访存阶段：
   
5. pc更新：未作修改

相应修改的结果通过了实验规定的测试。

注意编译时，可能遇到tcl not found；tk not found；libtcl not found；libtk not found问题

解决方法1： 将Make里面的注释“Comment this out if you don’t have Tcl/Tk.”下的行注释或删除

解决方法2：
tcl和tk文件：sudo apt-get install tk8.5-dev cl-8.5-dev
（一定要版本小于等于8.5，8.6版本有些属性已经被删除）
libtk和libtcl：sudo ln -s /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libtk8.5.so /usr/lib/libtk.so
sudo ln -s /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libcl8.5.so /usr/lib/libtcl.so

Part C

实验C主要在sim/pipe文件夹下，任务为修改ncopy.ys和pipe-full.hcl 文件使得ncopy.ys 的运行速度越快越好。

pipe-full.hcl 推荐实现iaddl指令。在仅实现iaddl并且将ncopy.ys中的相应指令替换为iaddl后，时间由原来的16.44 提升到了13.96。相应iaddl在pip-full.hcl中的实现方法与partB中的实现类似，实现的结果见下载链接文件。

其中该部分实验最主要实现的是优化ncopy.ys函数。本解法主要涉及到的是CSAPP第五章的优化方法中的“循环展开方法”和第4章中的“加载使用冒险”

对于ncopy.ys中的ncopy函数进行了4次的循环展开。并且在原始的函数中存在加载使用冒险，如下所示，mrmovl从存储器中读入src到esi，rmmovl从esi存储到dest中，期间因为加载使用冒险所以需要暂停一个周期，针对这个进行改进。

mrmovl  (%ebx), %esi   # read val from srcrmmovl %esi, (%ecx)   # store src[0] to dest[0]

主要改进的方法在这两条指令中插入另一条mrmovl指令，避免了冒险节省时间，也为后面的循环展开提前获取到了值。

ncopy.ys相应改进部分实现如下所示：

# You can modify this portion# Loop Header        xorl    %eax , %eax        iaddl   $-4 , %edx #len = len -4        andl    %edx ,  %edx            jl  remianLoop:   mrmovl (%ebx) , %esi        mrmovl 4(%ebx),%edi        rmmovl %esi , (%ecx)        andl    %esi ,%esi        jle LNpos1        iaddl   $1 , %eaxLNpos1: rmmovl %edi , 4(%ecx)        andl    %edi , %edi        jle     LNpos2        iaddl   $1, %eaxLNpos2:mrmovl 8(%ebx) , %esi        mrmovl 12(%ebx),%edi        rmmovl %esi ,8 (%ecx)        andl    %esi ,%esi        jle LNpos3        iaddl   $1 , %eaxLNpos3: rmmovl %edi , 12(%ecx)        andl    %edi , %edi        jle     nextLoop        iaddl   $1, %eaxnextLoop:        iaddl   $16,%ebx        iaddl   $16,%ecx        iaddl   $-4,%edx        jge Loop            # maybe just remain less than 3remian:  iaddl  $4 , %edx  # Restore the true len        iaddl   $-1, %edx        jl  Done        mrmovl (%ebx) , %esi        mrmovl 4(%ebx),%edi        rmmovl %esi , (%ecx)        andl    %esi ,%esi        jle rNpos        iaddl   $1 , %eaxrNpos:          iaddl   $-1, %edx        jl  Done        rmmovl  %edi , 4(%ecx)        andl    %edi , %edi        jle     rNpos1        iaddl   $1, %eaxrNpos1:        iaddl   $-1 , %edx         jl  Done        mrmovl 8(%ebx) , %esi        rmmovl %esi , 8(%ecx)        andl    %esi ,%esi        jle Done        iaddl   $1 , %eax##################################################################

最后的实现结果如下所示：
通过./correctness.pl 命令验证了不同长度数据的操作的正确性

通过./benchmark.pl 命令检验了CPE时间，Average CPE < 10.0得满分