系统结构 第一二次试验报告.docx

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系统结构第一二次试验报告

实验一熟悉模拟器WinDLX的使用

一、实验目的

1.熟练掌握WinDLX模拟器的操作和使用，熟悉DLX指令集结构及其特点。

2.加深对计算机流水线基本概念的理解。

3.了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作。

二、实验平台

WinDLX模拟器

三、实验任务

用WinDLX模拟器执行下列两个程序：

●求阶乘程序fact.s

●求最大公倍数程序gcm.s

分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序，观察程序在流水线中的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容。

熟练掌握WinDLX的操作和使用。

1.用WinDLX模拟器执行求阶乘程序fact.s

（1）用WinDLX模拟器执行求阶乘程序fact.s。

这个程序说明浮点指令的使用。

该程序从标准输入读入一个整数，求其阶乘，然后将结果输出。

该程序中调用了input.s中的输入子程序，这个子程序用于读入正整数。

（2）输入数据“3”，采用单步执行方法，完成程序并通过使用WinDLX，总结WinDLX的特点。

（3）注意观察变量说明语句所建立的数据区，理解WinDLX指令系统。

（4）分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序，观察程序在流水线中的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容。

熟练掌握WinDLX的操作和使用。

2.用WinDLX模拟器求最大公约数程序gcm.s

（1）用WinDLX模拟器执行程序。

该程序从标准输入读入两个整数，求他们的greatest common measure，然后将结果写到标准输出。

该程序中调用了input.s中的输入子程序。

（2）给出两组数6、3和6、1，采用单步和连续混合执行的方法完成程序，注意中间过程和寄存器的变化情况，观察流水线工作情况。

然后单击主菜单上的execute/display dlx-i/o,观察结果。

（3）分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序，观察程序在流水线中的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容。

实验结果：

1、

（1）导入fact.s和input.s代码

（2）单步执行

流水线：

寄存器的值：

由图可知：

PC寄存器中存放下一条要执行的语句的地址，IMAR中存放当前执行的语句的地址。

（3）设置断点：

执行到断点：

（4）自动执行：

执行结果：

（5）程序代码：

Fact.s:

main:

;***ReadvaluefromstdinintoR1

addir1,r0,Prompt

jalInputUnsigned

;***initvalues

movi2fpf10,r1;R1->D0D0..Countregister

cvti2df0,f10

addir2,r0,1;1->D2D2..result

movi2fpf11,r2

cvti2df2,f11

movdf4,f2;1->D4D4..Constant1

;***BreakloopifD0=1

Loop:

ledf0,f4;D0<=1?

bfptFinish

;***Multiplicationandnextloop

multdf2,f2,f0

subdf0,f0,f4

jLoop

Finish:

;***writeresulttostdout

sdPrintfValue,f2

addir14,r0,PrintfPar

trap5

;***end

trap0

（6）分析结果：

点击Statistics窗口，可以看到总的周期数为81，总的暂停数为29，其中数据相关暂停数为10，占总执行周期数的百分比为12.34%；控制相关暂停数为7，占总执行周期数的百分比为8.64%；中断暂停时钟周期数Trap stalls为12，占总执行周期数的百分比为14.81%。

2、

（1）导入代码

（2）单步执行：

流水线：

执行结果：

6、3时：

6、1时：

（3）设置断点：

执行到断点：

（4）自动执行F5

结果与单步执行一致。

（5）程序代码：

Gcm.s:

main:

;***ReadtwopositiveintegernumbersintoR1andR2

addir1,r0,Prompt1

jalInputUnsigned;readuns.-integerintoR1

addr2,r1,r0;R2<-R1

addir1,r0,Prompt2

jalInputUnsigned;readuns.-integerintoR1

Loop:

;***CompareR1andR2

seqr3,r1,r2;R1==R2?

bnezr3,Result

sgtr3,r1,r2;R1>R2?

bnezr3,r1Greater

r2Greater:

;***subtractr1fromr2

subr2,r2,r1

jLoop

r1Greater:

;***subtractr2fromr1

subr1,r1,r2

jLoop

Result:

;***Writetheresult（R1）

swPrintfValue,r1

addir14,r0,PrintfPar

trap5

;***end

trap0

（6）分析结果：

当输入数据为6和1时：

点击Statistics窗口，可以看到总的周期数为121，总的暂停数为51，其中数据相关暂停数为23，占总执行周期数的百分比为19.01%；控制相关暂停数为10，占总执行周期数的百分比为8.26%；中断暂停时钟周期数Trap stalls为18，占总执行周期数的百分比为14.88%。

当输入数据为6和1时：

点击Statistics窗口，可以看到总的周期数为157，总的暂停数为63，其中数据相关暂停数为31，占总执行周期数的百分比为19.74%；控制相关暂停数为14，占总执行周期数的百分比为8.92%；中断暂停时钟周期数Trap stalls为18，占总执行周期数的百分比为11.46%。

实验二流水线中的相关

一、实验目的

1.进一步了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作；

2.加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对CPU性能的影响；

3.了解解决数据相关的方法，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。

二、实验平台

WinDLX模拟器

三、实验内容和步骤

1.用WinDLX运行程序structure_d.s

（1）找出存在结构相关的指令对以及导致结构相关的部件。

（2）记录由结构相关引起的暂停时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。

（3）论述结构相关对CPU性能的影响，讨论解决结构相关的方法。

2.用WinDLX运行程序data_d.s

（1）在不采用定向技术的情况下（去掉Configuration菜单中EnableForwarding选项前的勾选符），用WinDLX运行程序data_d.s。

记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的总时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。

（2）在采用定向技术的情况下（勾选EnableForwarding），用WinDLX再次运行程序data_d.s。

记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的总时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。

（3）根据上面记录的数据，计算采用定向技术后性能提高的倍数。

实验过程：

1、第一部分：

（1）导入程序：

（2）单步执行：

（3）执行结果：

（4）源程序代码：

LHIR2,（A>>16）&0xFFFF

ADDUIR2,R2,A&0xFFFF

LHIR3,（B>>16）&0xFFFF

ADDUIR3,R3,B&0xFFFF

ADDUR4,R0,R3

loop:

LDF0,0（R2）;R2->F0

LDF4,0（R3）;R3->F4

ADDDF0,F0,F4;把栽入的R2和R3做浮点运算

ADDDF2,F0,F2;<-Astallisfound（anexampleofhowtoansweryourquestions）

ADDIR2,R2,#8

ADDIR3,R3,#8

SUBR5,R4,R2

BNEZR5,loop

TRAP#0;;Exit<-thisisacomment!

!

A:

.double1,2,3,4,5,6,7,8,9,10

B:

.double1,2,3,4,5,6,7,8,9,10

（5）结果分析：

点击Statistics窗口，可以看到总的周期数为139，总的暂停数为42，其中数据相关暂停数为30，占总执行周期数的百分比为21.58%；控制相关暂停数为9，占总执行周期数的百分比为6.47%；中断暂停时钟周期数Trap stalls为3，占总执行周期数的百分比为2.16%。

2、第二部分：

（1）导入data_d.s程序

（2）程序代码：

Data_d.s：

LHIR2,（A>>16）&0xFFFF;将A的值右移16位，将A与十六进制FFFF相与

ADDUIR2,R2,A&0xFFFF;先右移然后与运算

LHIR3,（B>>16）&0xFFFF

ADDUIR3,R3,B&0xFFFF;栽入R2+A->R2,栽入R3+B->R3

loop:

LWR1,0（R2）

ADDR1,R1,R3

SW0（R2）,R1

LWR5,0（R1）

ADDIR5,R5,#10

ADDIR2,R2,#4

SUBR4,R3,R2

BNEZR4,loop;循环,先将R2->R1,R1+R3->R1,存储R1

TRAP#0;也就是先将之前读入的R2与R3相加->R1

A:

.word0,4,8,12,16,20,24,28,32,36

B:

.word9,8,7,6,5,4,3,2,1,0;定义好的常量

（3）在不采用定向技术的情况下（去掉Configuration菜单中EnableForwarding选项前的勾选符），用WinDLX运行程序data_d.s。

执行结果：

结果分析：

在不采用定向技术的情况下，运行程序。

打开静态窗口，可以看到，总的周期数为202，总的暂停数为116，其中数据相关暂停数为104，占总执行周期数的百分比为51.48%；控制相关暂停数为9，占总执行周期数的百分比为4.46%；中断暂停时钟周期数Trap stalls为3，占总执行周期数的百分比为1.48%。

（4）在采用定向技术的情况下（勾选EnableForwarding），用WinDLX再次运行程序data_d.s。

采用定向技术：

执行结果：

结果分析：

运行程序。

再次打开静态窗口，可以看到，总的周期数变为128，总的暂停数为42，其中数据相关暂停数为30，占总执行周期数的百分比为23.44%；控制相关暂停数仍然为9，占总执行周期数的百分比为7.32%；中断暂停时钟周期数Trap stalls仍然为3，占总执行周期数的百分比为2.34%。

（5）两次结果分析：

由上述的值可以看到不采用定向技术时总的周期数为202，采用了定向技术后总的周期数变为128，由此可以计算定向技术带来的加速比202/128=1.578, DLXforwarded 比DLXnot forwarded 快了57.8%。