北邮计算机研究生高级系统结构试验1到5—

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北京邮电大学实验报告课程名称计算机系统结构计算机学院 2016111303 班王陈(2016110711)

目录实验一 WINDLX 模拟器安装及使用.......................................................................... 3 ·实验准备...............................................................................错误！未定义书签。 ·实验环境...............................................................................错误！未定义书签。 ·实验步骤...............................................................................错误！未定义书签。 ·实验内容及要求...................................................................错误！未定义书签。 ·实验过程...............................................................................错误！未定义书签。 ·实验总结............................................................................................................ 8 实验二指令流水线相关性分析............................................................................... 9 ·实验目的............................................................................................................ 9 ·实验环境............................................................................................................ 9 ·实验步骤............................................................................................................ 9 ·实验过程...............................................................................错误！未定义书签。 ·实验总结.......................................................................................................... 16 实验三 DLX 处理器程序设计................................................................................ 17 ·实验目的.......................................................................................................... 17 ·实验环境...............................................................................错误！未定义书签。 ·实验步骤...............................................................................错误！未定义书签。 ·实验过程.......................................................................................................... 17 A. 向量加法代码及性能分析.................................................................................. 17 B.双精度浮点加法求和代码及结果分析............................................................22 ·实验总结.......................................................................................................... 27 实验四代码优化..................................................................................................... 28 ·实验目的.......................................................................................................... 28 ·实验环境...............................................................................错误！未定义书签。 ·实验原理.......................................................................................................... 28 ·实验步骤...............................................................................错误！未定义书签。 ·实验过程.......................................................................................................... 28 ·实验总结+实习体会........................................................................................ 33 实验五循环展开..................................................................................................... 34 ·实验目的.......................................................................................................... 34 ·实验环境...............................................................................错误！未定义书签。 ·实验原理.......................................................................................................... 34 ·实验步骤...............................................................................错误！未定义书签。 ·实验过程.......................................................................................................... 34 矩阵乘程序代码清单及注释说明..........................................................................34 相关性分析结果..........................................................................................................39 增加浮点运算部件对性能的影响..........................................................................39 增加 forward 部件对性能的影响..........................................................................39 转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销................................ 39 ·实验总结+实习体会+课程建议...................................................................... 39 2

实验一 WINDLX 模拟器安装及使用 WinDLX 模拟器的结构和功能说明 1.点击运行之后，会看到一个如下图所示的窗口。它包括 Register, Code, Pipeline, Clock Cycle Diagram, Statistics, Breakpoints。接下来详细介模拟器的结构及各个部件的功能。 2.Register 窗口介绍 Rigister 窗口中显示的是各个寄存器的名称及内容。如下图：可以看到寄存器中以十六进制标识，从上图可以看出各个寄存器中的内容。 2.Code 窗口介绍在没有进行任何执行的时候，初次打开 code 窗口，即为下图所示 3

窗口现实的信息是各个存储器内同。第一列标识存储器的地址；第二列是机器代码，用 16 进制表示；第三列是汇编指令。当我们点击上方的，可以选择单步或多步执行（也可以使用快捷键 F7 或 F8）。若选择单步执行，每按一次 F7，指令执行一次，可以看到，一次执行的为 IF->ID->intEX->MEM->WB，没执行一次还有颜色的变化。颜色是用来标识指令处于哪个流水段的，如下图。当然，我们也可以使用多步执行，按快捷键 F8，选择 5 步流水，即可。 3.Pipeline 窗口介绍通过阅读 WinDLX 模拟器说明书可以知道，Pipeline 窗口显示的是 DLX 处理器的内部结构。窗口用下图标识 DLX 五段流水。当然，如同 Code 窗口介绍讲述的那样，不同的颜色显示了指令处于哪段流水线。使用快捷键 F7 单步执行，可以明显的看出，不同时候流水段执行的不同指令。如下图。 4

图片反映的正式与 Code 中所处的时刻相同的指令流水。可以清晰看到不同流水段执行的是哪条指令。 4.Clock Cycle Diagram 窗口实验准备中我们已经知道，该窗口显示的是流水线的时空图。时空图反映的是不同时隙内的运行情况。如下图。在我看来，时空图是最好理解的。因为它反映的就是流水段的并行程度。在这个 DLX 模拟器中，并不存在一些数据或者控制上的冲突问题。所以可以依靠上图很清晰的看到指令所处的不同流水段，及指令执行情况。该时空图同样也是和前面的 Code 等相对应。也可以通过快捷键 F7 来进一步执行指令，可以看到流水线时空图的扩展情况。任意双击指令的一行，可以详细看到不同流水段的情况。如下图所示。 5

5.Statistics 窗口介绍该窗口是对运行程序中的数据进行分析。主要包括模拟器中硬件配置情况，在该窗口中，我们可以比较不同配置对于该模拟器的不同影响。如下图所示。 1）整体指令执行情况 2）硬件配置情况 3）暂停次数和百分比及原因分析 6

4）分支次数和百分比 5）Load/Store 指令执行情况 6）浮点指令执行次数和百分比 7）trap 发生的次数和百分比 6.Breakpoints 窗口介绍该窗口使用来观察代码运行情况。先打开 Breakpoints 窗口，点击窗口上方的来设置 breakpoint，也就是设置指令运行到流水线的哪个阶段程勋停止执行。如上图，如果选择 EX 阶段，在 Code 窗口中相应的行会出现 BEX，即指令执 7

行到译码结束执行开始的时候，程序将中止。 ·实验总结通过本次试验，由于是第一次接触 DLX 模拟器，该试验能够帮助我对这个模拟器大致的功能及使用做个大致的了解。对于日后的实验打下好的基础。我觉得 WinDLX 模拟器小而精悍，它有不同颜色的标记，不同寄存器及存储器的反映。通过使用它，可以对 5 步流水的过程及不同阶段很清楚明白的看到。也可以看到不同指令分析走到了哪一步，到了哪一步流水段。 8

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