计算机系统结构实验报告.docx
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计算机系统结构实验报告
计算机系统结构实验报告
---------------------实验一、熟悉WinDLX的使用
姓名：
徐丽
班级：
计算机一班
学号：
201200131113
一、实验目的
通过本实验，熟悉WinDLX模拟器的操作和使用，了解DLX指令集结构及其特点。
二、实验内容
（1）用WinDLX模拟器执行求阶乘程序facts。
执行步骤详见“WinDLX教程”。
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，完成程序并通过上述使用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。
三、实验步骤
3.1装载测试程序
选择File/LoadCodeorData，将fact.s与input.s这两个文件装入主存。
fact.s计算一个整型值的阶乘，input.s中包含一个子程序，它读键盘并将值存入DLX处理器的通用寄存器R1中。
代码如下所示：
--------------------------------------------------------------------------
;Programbeginatsymbolmain
;requiresmoduleINPUT
;readanumberfromstdinandcalculatethefactorial（type:
double）
;theresultiswrittentostdout
;--------------------------------------------------------------------------
.data
Prompt:
.asciiz"Anintegervalue>1:
"在变量Prompt中存放一个字符串
PrintfFormat:
.asciiz"Factorial=%g\n\n"在变量pringformat中存放一个字符串
.align2
PrintfPar:
.wordPrintfFormatprintfFormat的地址值
PrintfValue:
.space8给PrintValue保留8个字节
.text正文
.globalmain标号main
main:
程序在main开始
;***ReadvaluefromstdinintoR1说明：
从标准输入程序读值到R1
addir1,r0,Prompt0+Prompt地址值送R1
jalInputUnsigned转输入程序InputUnsigned
;***initvalues输入的值在R1中
movi2fpf10,r1;R1->D0D0..CountregisterR1送F10（整形变量变为浮点变量）
cvti2df0,f10F10送F0,F1（单精度变为双精度）
addir2,r0,1;1->D2D2..result0+1送R2
movi2fpf11,r2R2送F11（整形变量变为浮点变量）
cvti2df2,f11F11送F2,F3（单精度变为双精度）
movdf4,f2;1->D4D4..Constant1F2,F3送F4,F5
;***BreakloopifD0=1说明
Loop:
ledf0,f4;D0<=1?
标号:
LOOPIF（F0<=F4）FPS=1ELSEFPS=0
bfptFinishIFFPS=1转Finish
;***Multiplicationandnextloop下一个程序段说明
multdf2,f2,f0f2*f0送f2
subdf0,f0,f4F0-F4送f0
jLoop转loop
Finish:
;***writeresulttostdout结束标号写结果到标准输出程序
sdPrintfValue,f2结果值由f2送变量PrintfValue
addir14,r0,PrintfParPrintfPar地址值送R14
trap5自陷调用5将结果值输出
;***end
trap0自陷调用0程序结束
该程序中调用了input.s中的输入子程序
;-----------------------------------------------------------------------------
;Subprogramcallbysymbol"InputUnsigned"
;expecttheaddressofazero-terminatedpromptstringinR1
;returnsthereadvalueinR1
;changesthecontentsofregistersR1,R13,R14
;-----------------------------------------------------------------------------
.data
;***DataforRead-Trap
ReadBuffer:
.space80输入缓冲区80个字节
ReadPar:
.word0,ReadBuffer,80变量ReadPar一个字“0”
;***DataforPrintf-Trap
PrintfPar:
.space4变量PrintfPar保留4个字节
SaveR2:
.space4变量SaveR2保留4个字节
SaveR3:
.space4
SaveR4:
.space4
SaveR5:
.space4
.text
.globalInputUnsigned标号InputUnisigned
InputUnsigned:
;***saveregistercontents
swSaveR2,r2R2送M（SaveR2）
swSaveR3,r3
swSaveR4,r4
swSaveR5,r5
;***Prompt
swPrintfPar,r1R1送PrintfPar
addir14,r0,PrintfParPrintfPar+0送R14
trap5自陷调用5
;***callTrap-3toreadline
addir14,r0,ReadParReadPar+0送R14
trap3自陷调用3
;***determinevalue
addir2,r0,ReadBufferReadBuffer+0送R2
addir1,r0,00送R1
addir4,r0,10;Decimalsystem10送R4
Loop:
;***readsdigitstoendofline标号LOOP
lbur3,0（r2）M（R2）+0送R3（R2内容为ReadBuffer的地址）
seqir5,r3,10;LF->ExitIF（R3=立即数10）1送R5ELSE0送R5
bnezr5,FinishIF（R5不等于0）转Finish
subir3,r3,48;?
?
R3-48送R3（48为十六进制30，ASCII码变换）
multur1,r1,r4;ShiftdecimalR4*R1送R1
addr1,r1,r3R3+R1送R1
addir2,r2,1;incrementpointerR2+1送R2
jLoop转LOOP
Finish:
;***restoreoldregistercontents标号Finish
lwr2,SaveR2M（SaveR2）送R2
lwr3,SaveR3
lwr4,SaveR4
lwr5,SaveR5
jrr31;ReturR31送PC从子程序返回
3.2模拟
双击Code图标，从左到右依次为代表存储器内容的三栏信息：
地址（符号或数字）、命令的十六进制机器代码和汇编命令。
点击主窗口中的Execution开始模拟。
按F7键开始执行。
这时，窗口中带有地址“$TEXT”的第一行变成黄色。
按下F7键，模拟就向前执行一步，第一行的颜色变成橘黄色，下一行变成黄色。
这些不同颜色指明命令处于流水线的哪一段。
命令“jalInputUnsigned”在IF段，“addir1,r0,0x1000”在第二段ID。
其他方框中带有一个“X”标志，表明没有处理有效信息。
再次按下F7键，代码窗口中的颜色会再改变，红色表明命令处入第三段“intEX”。
再按下F7，在代码窗口中，黄色出现在更下面的位置，并且是唯一彩色行。
打开ClockCycleDiagram窗口。
它显示流水线的时空图。
第一条命令正在MEM段，第二条命令在intEX段，第四条命令在IF段。
而第三条命令指示为“aborted”。
其原因是：
第二条命令（jal）是无条件分支指令，但只有在第三个时钟周期，jal指令被译码后才知道，这时，下一条命令movi2fp已经取出，但需执行的下一条命令在另一个地址处，因而，movi2fp的执行应被取消，在流水线中留下气泡。
jal的分支地址命名为“InputUnsigned”。
为找到此符号地址的实际值，点击主窗口中的Memory和Symbols，出现的子窗口中显示相应的符号和对应的实际值。
在“Sort”：
区域选定“name”，使它们按名称排序，而不是按数值排序。
数字后的“G”代表全局符号，“L”代表局部符号。
“input”中的“InputUnsigned”是一个全局符号，它的实际值为0x144，用作地址。
点击OK按纽关闭窗口。
再一次点击F7，第一条命令（addi）到达流水线的最后一段。
对准Clockcyclediagram窗口中相应命令所在行，然后双击它，弹出一个新窗口。
窗口中会详细显示每一个流水段处理器内部的执行动作。
这个窗口“Informationabout...”作为将来的Information窗口。
观察完后，点击OK按钮关闭窗口。
双击第三行（movi2fp），它只执行了第一段（IF），这是因为出现跳转而被取消。
当通过Code窗口观察代码时，接下来的几条指令几近一样，它们都是sw-操作：
将寄存器中的数写入存储器中。
重复按F7将很枯燥，因此使用断点加快此过程。
现在，指向Code窗口中包含命令trap0x5的0x0000015c行，此命令是写屏幕的系统调用。
单击命令行，然后点击主窗口菜单Code，单击SetBreakpoint（确保命令行仍被标记！
），将弹出一个新的“SetBreakpoint”窗口。
通过此窗口，你可以选择命令运行到流水线的哪一阶段时，程序停止执行。
缺省为ID段。
点击OK关闭窗口。
在Code窗口中，trap0x5行上出现了“BID”，它表示当本指令在译码段时，程序中止执行。
现在点击Execution/Run或按F5，模拟就继续运行。
会出现一个对话框提示你“ID-Stage:
reachedatBreakpoint#1”，按"确认"按钮关闭。
点击Clockcyclediagram窗口中的trap0x5行，你将看到模拟正处于时钟周期14。
trap0x5行如下所示：
原因是：
无论何时遇到一条trap指令时，DLX处理器中的流水线将被清空。
在Information窗口（双击trap行弹出）中，在IF段显示消息“3stall（s）becauseofTrap-Pipeline-Clearing!
”。
指令trap0x5已经写到屏幕上，你可以通过点击主窗口菜单条上的Execute/DisplayDLX-I/O来查看。
为进一步模拟，点击Code窗口，用箭头键或鼠标向下滚动到地址为0x00000194的那一行（指令是lwr2,SaveR2（r0）），点击此行，点击Code/SetBreakpoint/OK，在这一行上设置一个断点。
采用同样的方法，在地址0x000001a4（指令jarr31）处设置断点。
现在按F5继续运行。
这时，会弹出DLX-Standard-I/O窗口，在信息“Anintegervalue>1:
”后鼠标闪烁，键入20然后按Enter，模拟继续运行到断点#2处。
在Clockcyclediagram窗口中，在指令之间出现了红和绿的箭头。
红色箭头表示需要一个暂停，箭头指向处显示了暂停的原因。
R-Stall（R-暂停）表示引起暂停的原因是RAW。
绿色箭头表示定向技术的使用。
双击主窗口中的Register图标。
Register窗口会显示各个寄存器中的内容。
看一下R1到R5的值。
按F5使模拟继续运行到下一个断点处，有些值将发生改变，指令lw从主存中取数到寄存器中。
点击Execute/MultipleCycles或者按F8键，在新出现的窗口中输入17，然后按Enter键，模拟程序将继续运行17个时钟周期。
向上滚动Clockcyclediagram窗口，直到看到指令周期72到78。
在EX段，两个浮点操作（multdandsubd）分别在不同的部件上运行，它们都需要多个周期才能结束。
因而在它们之后的下一条指令能取指，译码和执行，然后暂停一个周期以允许subd完成MEM段。
按F5使程序完成执行，出现消息“Trap#0occurred”表明最后一条指令trap0已经执行，Trap指令中编号“0”没有定义，只是用来终止程序。
双击图标Statistics。
Statistics窗口提供各个方面的信息：
模拟中硬件配置情况、暂停及原因、条件分支、Load/Store指令、浮点指令和traps。
窗口中给出事件发生的次数和百分比，如RAWstalls：
17（7.91%ofallCycles）。
Statistics窗口中的各种统计数字：
总的周期数（215）和暂停数（17RAW,25Control,12Trap;54Total），然后关闭窗口。
点击Configuration中的EnableForwarding使定向无效（去掉小钩），打开断点Breakpoints图标并点击Breakpoints菜单，删除所有断点，然后按F5，键入20后，按Enter，模拟程序一直运行到结束。
重新查看静态窗口，控制暂停和Trap暂停仍然是同样的值，而RAW暂停从17变成了53，总的模拟周期数增加到236。
利用这些值，计算定向技术带来的加速比：
236/215=1.098
所以可知DLXforwarded比DLXnotforwarded快9.8%。
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