计算机系统结构实验报告

计算机系统结构实验报告

一．流水线中的相关

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. 进一步了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作；

4. 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；

5. 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。

实验平台：

WinDLX模拟器

实验内容和步骤：

1.用WinDLX模拟器执行下列三个程序：

求阶乘程序fact.s

求最大公倍数程序gcm.s

求素数程序prim.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。

2. 用WinDLX运行程序structure_d.s，通过模拟找出存在资源相关的指令对以及导致资源相

关的部件；记录由资源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；论述资源相关对CPU性能的影响，讨论解决资源相关的方法。

3. 在不采用定向技术的情况下（去掉Configuration菜单中Enable Forwarding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。

在采用定向技术的情况下（勾选Enable Forwarding），用WinDLX再次运行程序data_d.s。重复上述3中的工作，并计算采用定向技术后性能提高的倍数。

1. 求阶乘程序

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。

实验结果：

在载入fact.s和input.s之后，不设置任何断点运行。

a.不采用重新定向技术，我们得到的结果

b.采用定向技术，我们得到的结果：

从上面的数据我们可以看出定向的作用：

在定向技术存在的情况下Statistics 窗口中的各种统计数字：总的周期数(215) 和暂停数(17 RAW, 25 Control, 12 Trap; 54 Total)

在定向技术不存在时候，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。所以定向技术带来的加速比：

236 / 215 = 1.098

DLX forwarded比DLX not forwarded快9.8%。

2.数据相关

先给出一个存在数据相关的程序：

LHI R2, (A>>16) & 0xFFFF

ADDUI R2, R2, A & 0xFFFF

LHI R3, (B>>16)&0xFFFF

ADDUI R3, R3, B&0xFFFF

loop:

LW R1, 0 (R2)

ADD R1, R1, R3

SW 0(R2), R1

LW R5, 0 (R1)

ADDI R5, R5, #10

ADDI R2, R2, #4

SUB R4, R3, R2

BNEZ R4, loop

TRAP #0

A: .word 0, 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32, 36

B: .word 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0

没有采用定向技术时运行该程序：得到

程序执行了202个周期，10个数据相关引起的时钟周期RAW stall为104个。

暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比=51.48%

采用定向技术时运行该程序：得到

程序执行了128个周期，共有6个数据相关引起的时钟周期RAW stall为30个。

暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比=23.44%

可见通过定向技术，减少了数据相关，缩短了程序的执行周期，整个性能为原来的 1.57倍。

3.结构相关

下面这段程序存在结构相关

ADDI R5, R5, 1

SUBI R4, R4, 1

AND R3, R3, R3

XOR R7, R7, R7

ADDI R8, R8, 1

ADDI R9, R9, 1

MULT R1,R5,R4

MULT R2,R3,R7

执行之后得到的clock cycle programe

Statistics:

可见1个结构相关引起了4个stall，占总共20个CYCLE 的20%

为了避免结构相关，可以考虑采用资源重复的方法，比如，在流水线机器中设置相互独立的指令存储器和数据存储器，也可以将CACHE分割成指令CACHE 和数据CACHE。

二．循环展开及指令调度

实验目的：

1. 加深对循环级并行性、指令调度技术、循环展开技术以及寄存器换名技术的理解；

2. 熟悉用指令调度技术来解决流水线中的数据相关的方法；

3. 了解循环展开、指令调度等技术对CPU性能的改进。

实验平台：

WinDLX模拟器

实验内容和步骤：

1．用指令调度技术解决流水线中的结构相关与数据相关

（1）用DLX汇编语言编写代码文件*.s，程序中应包括数据相关与结构相关（假设：加法﹑

乘法﹑除法部件各有2个，延迟时间都是3个时钟周期）

（2）通过Configuration菜单中的“Floating point stages”选项，把加法﹑乘法﹑除法部件的个数设置为2个，把延迟都设置为3个时钟周期；

（3）用WinDLX运行程序。记录程序执行过程中各种相关发生的次数、发生相关的指令组

合，以及程序执行的总时钟周期数；

（4）采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除相关；

（5）用WinDLX运行调度后的程序，观察程序在流水线中的执行情况，记录程序执行的总

时钟周期数；

（6）根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。论述指令调度对于提高CPU性能的意义。

2. 用循环展开、寄存器换名以及指令调度提高性能

（1）用DLX汇编语言编写代码文件*.s，程序中包含一个循环次数为4的整数倍的简单循环；（2）用WinDLX运行该程序。记录执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟

周期数；

（3）将循环展开3次，将4个循环体组成的代码代替原来的循环体，并对程序做相应的修改。然后对新的循环体进行寄存器换名和指令调度；

（4）用WinDLX运行修改后的程序，记录执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的

总时钟周期数；

（5）根据记录结果，比较循环展开、指令调度前后的性能。

3)存在相关的程序

1.指令调度：

首先，通过Configuration菜单中的“Floating point stages”选项，把除法单元数设置为3，把加法﹑乘法﹑除法的延迟设置为3个时钟周期。

给出调度前的程序sch_bef:

.data

.global ONE

ONE: .word 1

.text

.global main

main:

lf f1,ONE ;turn divf into a move

cvti2f f7,f1 ;by storing in f7 1 in

nop ;floating-point format

divf f1,f8,f7 ;move Y=(f8) into f1

divf f2,f9,f7 ;move Z=(f9) into f2

addf f3,f1,f2

divf f10,f3,f7 ;move f3 into X=(f10)

divf f4,f11,f7 ;move B=(f11) into f4

divf f5,f12,f7 ;move C=(f12) into f5

multf f6,f4,f5

divf f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13)

Finish:

trap 0

运行之后可以得到结果：

调度之后的程序sch_aft:

.data

.global ONE

ONE: .word 1

.text

.global main

main:

lf f1,ONE ;turn divf into a move

cvti2f f7,f1 ;by storing in f7 1 in

nop ;floating-point format

divf f1,f8,f7 ;move Y=(f8) into f1

divf f2,f9,f7 ;move Z=(f9) into f2

divf f4,f11,f7 ;move B=(f11) into f4

divf f5,f12,f7 ;move C=(f12) into f5

addf f3,f1,f2

multf f6,f4,f5

divf f10,f3,f7 ;move f3 into X=(f10)

divf f13,f6,f7 ;move f6 into A=(f13)

Finish:

trap 0

运行之后得到：

可以看出经过调度之后

运行周期从27减少到21，而且减少了相关。

2.循环展开：

循环展开前的程序：

LHI R2, (A>>16)&0xFFFF

ADDUI R2, R2, A&0xFFFF

LHI R3, (B>>16)&0xFFFF

ADDUI R3, R3, B&0xFFFF

ADDU R4, R0, R3

NOP

loop:

SUBI R4, R4, #8

SUB R5, R4, R2

BNEZ R5, loop

TRAP #0

A: .double 1, 2, 3, 4

B: .double 1, 2, 3, 4

运行结果：

循环展开后的程序：

LHI R2, (A>>16)&0xFFFF

ADDUI R2, R2, A&0xFFFF

LHI R3, (B>>16)&0xFFFF

ADDUI R3, R3, B&0xFFFF

ADDU R4, R0, R3

SUBI R4, R4, #8

SUBI R4, R4, #8

SUBI R4, R4, #8

SUBI R4, R4, #8

TRAP #0

A: .double 1, 2, 3, 4

B: .double 1, 2, 3, 4

运行结果：

可以看出经过循环展开之后

运行周期从30减少到14，而且减少了相关。

三．实验总结：

通过本实验，基本掌握了WinDLX模拟器的操作和使用，熟悉DLX指令集结构及其特点，对减少各种相关、提高流水线速度的方法和技术有了更深的认识，对于体系结构这门课程的学习和后面的实验还是很有帮助的。

计算机体系结构实验报告二

实验二结构相关 一、实验目得: 通过本实验,加深对结构相关得理解,了解结构相关对CPU性能得影响。 二、实验内容: 1、用WinDLX模拟器运行程序structure_d、s 。 2、通过模拟,找出存在结构相关得指令对以及导致结构相关得部件。 3、记录由结构相关引起得暂停时钟周期数,计算暂停时钟周期数占总执行 周期数得百分比。 4、论述结构相关对CPU性能得影响,讨论解决结构相关得方法。 三、实验程序structure_d、s LHI R2, (A>>16)&0xFFFF 数据相关 ADDUI R2, R2, A&0xFFFF LHI R3, (B>>16)&0xFFFF ADDUI R3, R3, B&0xFFFF ADDU R4, R0, R3 loop: LD F0, 0(R2) LD F4, 0(R3) ADDD F0, F0, F4 ;浮点运算,两个周期,结构相关 ADDD F2, F0, F2 ; < A stall is found (an example of how to answer your questions) ADDI R2, R2, #8 ADDI R3, R3, #8 SUB R5, R4, R2 BNEZ R5, loop ;条件跳转 TRAP #0 ;; Exit < this is a ment !! A: 、double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 B: 、double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 四、实验过程 打开软件,load structure_d、s文件,进行单步运行。经过分析,此程序一 次循环中共有五次结构相关。(Rstall 数据相关Stall 结构相关) 1)第一个结构相关:addd f2,,f0,f2 由于前面得数据相关,导致上一条指令addd f0,f0,f4暂停在ID阶段,所以下一条指令addd f2,,f0,f2发生结构相关,导致相关得部件:译码部件。

北邮高级计算机系统结构实验二三四五

实验二指令流水线相关性分析 ·实验目的 通过使用WINDLX模拟器，对程序中的三种相关现象进行观察，并对使用专用通路，增加运算部件等技术对性能的影响进行考察，加深对流水线和RISC处理器的特点的理解。 ·实验原理： 指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。相关影响流水线性能。·实验步骤 一．使用WinDLX模拟器，对做如下分析： （1）观察程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中出现上述现象的指令组合。 （2）考察增加浮点运算部件对性能的影响。 （3）考察增加forward部件对性能的影响。 （4）观察转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销。 ·实验过程 一．使用WinDLX模拟器，对做如下分析： } 浮点加、乘、除部件都设置为1，浮点数运算部件的延时都设置为4，如图1： 图1 初始设置 将和加载至WinDLX中，如图2示。

图2 加载程序 1.观察程序中出现的数据/控制/结构相关；指出程序中出现上述现象的指令组合。 1）数据相关 点击F7，使程序单步执行，当出现R-Stall时停止，运行过程中出现下图3所示，输入整数6。 图3 输入整数6 @ 打开Clock Diagram，可以清楚的看到指令执行的流水线如图4所示。 图4 指令流水线 双击第一次出现R-Stall的指令行，如图5所示。

图5 指令详细信息 对以上出现的情况分析如下： 程序发生了数据相关，R-Stall（R-暂停）表示引起暂停的原因是RAW。 lbu r3,0×0(r2) 要在WB周期写回r3中的数据；而下一条指令 & seqi r5,r3,0×a 要在intEX周期中读取r3中的数据。 上述过程发生了WR冲突，即写读相关。为了避免此类冲突， seq r5,r4,0×a的intEX指令延迟了一个周期进行。 由此，相关指令为： 2）控制相关 由图6可以看出，在第4时钟周期：第一条指令处于MEM段，第二条命令处于intEX段，第三条指令出于aborted状态，第四条命令处于IF段。 图 6 指令流水线 }

计算机组织与体系结构实验报告

《计算机组织与体系结构》 实验报告 学号： XXX 姓名：XXX 班级：XXX 指导教师：XXX 时间: 2013年01月 中国矿业大学计算机学院

目录 一基本运算器实验 (2) 1、实验目的 (2) 2、实验设备 (2) 3、实验原理 (2) 4、实验步骤 (3) 5、实验结果 (5) 5、实验体会 (5) 二微程序控制实验 (6) 1、实验目的 (6) 2、实验设备 (6) 3、实验原理 (6) 4、实验步骤 (12) 5、实验体会 (13) 三CPU与简单模型机设计实验 (13) 1、实验目的 (13) 2、实验设备 (13) 3、实验原理 (13) 4、实验步骤 (18) 5、实验流图 (21) 6、实验体会 (25)

实验一基本运算器实验 1. 实验目的 (1) 了解运算器的组成结构。 (2) 掌握运算器的工作原理。 2. 实验设备 PC机一台，TD-CMA实验系统一套。 3.实验原理 本实验的原理如下图所示： 运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器B，三个部件同时接受来自A和B的数据（有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM），各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3…S0和CN来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为ALU的输出。如果是影响进位的运算，还将置进位标志FC，在运算结果输出前，置ALU零标志。ALU中所有模块集成在一片FPGA中。 逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，而后面又有专门的算术运算部件设计实验，在此对这两个部件不再赘述。移位运算采用的是桶形移位器，一般采用交叉开关矩阵来实现，交叉开关的原理如图1-1-2所示。图中显示的是一个4X4的矩阵（系统中是一个8X8的矩阵）。每一个输入都通过开关与一个输出相连，把沿对角线的开关导通，就可实现移位功能，即： (1) 对于逻辑左移或逻辑右移功能，将一条对角线的开关导通，这将所有的输入位与所使用的输出分别相连,而没有同任何输入相连的则输出连接0。 (2) 对于循环右移功能，右移对角线同互补的左移对角线一起激活。例如，在4位矩阵中使用‘右1’和‘左3’对角线来实现右循环1位。 (3) 对于未连接的输出位，移位时使用符号扩展或是0填充，具体由相应的指令控制。使用另外的逻辑进行移位总量译码和符号判别。

计算机系统结构实验报告

计算机系统结构实验报告 一．流水线中的相关 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. 进一步了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作； 4. 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； 5. 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。 实验平台： WinDLX模拟器 实验内容和步骤： 1.用WinDLX模拟器执行下列三个程序： 求阶乘程序fact.s 求最大公倍数程序gcm.s 求素数程序prim.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。 2. 用WinDLX运行程序structure_d.s，通过模拟找出存在资源相关的指令对以及导致资源相 关的部件；记录由资源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；论述资源相关对CPU性能的影响，讨论解决资源相关的方法。 3. 在不采用定向技术的情况下（去掉Configuration菜单中Enable Forwarding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。 在采用定向技术的情况下（勾选Enable Forwarding），用WinDLX再次运行程序data_d.s。重复上述3中的工作，并计算采用定向技术后性能提高的倍数。 1. 求阶乘程序 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。 实验结果： 在载入fact.s和input.s之后，不设置任何断点运行。 a.不采用重新定向技术，我们得到的结果

北邮计算机系统结构实验报告-实验一到五-WINDLX模拟器

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03班 王陈(11)

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

计算机系统结构实验指导书-14

北京邮电大学 计算机学院 计算机系统结构实验指导书 王春露邝坚编著 2007.3 – 2013.4

目录z计算机系统结构实验简介 z DLX处理器简介 1. 实验一WINDLX模拟器安装及使用 2. 实验二指令流水线相关性分析 3. 实验三DLX处理器程序设计 4. 实验四代码优化 5. 实验五循环展开（选作）

计算机系统结构实验简介 DLX是一个虚拟处理器。该处理器是加州大学伯克利分校计算机系JohnL .H ennessy教授和斯坦福大学计算机系David A. Patterson教授在其《计算机体系结构:一种定量的方法》一书中提出的。该处理器反映了新一代处理器的特点。通过了解DLX处理器的结构和工作原理，并利用DLX模拟器进行实验，可以帮助学生综合地了解和运用有关处理器指令系统的设计、流水线的设计与实现等方面的知识，有助于计算机系统结构课程内容的理解。 DLX处理器简介 第一节 DLX基本结构 DLX是一种典型的Load/Store型指令集结构。它不仅体现了当今多种机器的指令集结构的共同特点，而且它还体现出未来一些机器的指令集结构的特点。这些机器的指令集结构设计思想都和DLX指令集结构的设计思想十分相似，它们都强调： （1） 具有一套简单的Load/Store指令集； （2） 注重指令流水效率； （3） 简化指令的译码； （4） 高效支持编译器。 DLX是一种易于学习和研究的处理器结构模型。这种类型的机器正在日趋流行，而且其结构非常易于理解。 1．DLX中的寄存器 DLX中有32个通用寄存器（GPRs），分别将其命名为R0,R1…R31。每个通用寄存器长度为32位。 另外，DLX中有32个浮点寄存器（FPRs），分别将其命名为F0,F1…F31。每个浮点寄存器长度为32位。这些浮点寄存器可以用来保存32位的单精度浮点数，或者通过相邻两个浮点寄存器奇偶对FiFi+1（i=0,2,4…,30）来保存双精度浮点数，这种组合而成的64位双精度浮点寄存器在DLX中分别被命名为F0,F2…F28,F30. 2. DLX数据类型 DLX提供了多种长度的整型数据和浮点数据。对整型数据而言，有8位，16位，32位多种长度；对浮点而言，有32位单精度浮点数和64位双精度浮点数。浮点数据表示采用的是IEEE754标准。DLX操作都是对32位整型数据及32或64位浮点数据进行的。 3．DLX的寻址方式和数据传送 DLX提供了寄存器寻址，立即寻址，偏移寻址和寄存器间接寻址四种寻址方式。寄存器寻址字段的大小为5位，用来标识32个通用寄存器或浮点寄存器。

计算机系统结构作业答案第三章(张晨曦)

3.1 -3.3为术语解释等解答题。 3.4 设一条指令的执行过程分为取指令，分析指令和执行指令3个阶段，每个阶段所需时间分别为ΔT, ΔT, 2ΔT，分别求出下列各种情况下，连续执行N条指令所需的时间。 (1) 顺序执行方式 (2) 只有“取指令”与“执行指令”重叠 (3) “取指令”，“分析指令”与“执行指令”重叠 解： (1) 4NΔT (2) (3N+1) ΔT (3) 2(N+1) ΔT 3.6 解决流水线瓶颈问题有哪两种常用方法？ 解： (1) 细分瓶颈段 将瓶颈段细分为若干个子瓶颈段 (2) 重复设置瓶颈段 重复设置瓶颈段，使之并行工作，以此错开处理任务 3.9 列举下面循环中的所有相关，包括输出相关，反相关，真数据相关。 for(i = 2; i < 100; i=i+1) { a[i] = b[i] + a[i]; -----(1) c[i+1] = a[i] + d[i]; -----(2) a[i-1] = 2*b[i]; -----(3) b[i+1] = 2*b[i]; -----(4) } 解： 输出相关：第k次循环时(1)与第k+1轮时(3) 反相关：第k次循环时(1)和(2)与第k-1轮时(3) 真数据相关：每次循环(1)与(2)，第k次循环(4)与k+1次循环(1)，(3)，(4) 3.12 有一指令流水线如下所示 50ns 50ns 100ns 200ns (1)求连续如入10条指令的情况下，该流水线的实际吞吐率和效率 (2)该流水线的“瓶颈”在哪一段？请采用两种不同的措施消除此“瓶颈”。对于你所给出 的两种新的流水线连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率各是多少？ 解：（1）（m表示流水线级数，n 表示任务数）

计算机系统结构实验1预习报告

计算机系统结构实验 实验1：MIPS指令系统和MIPS体系结构 （预习报告） 姓名： 学号： 班级：

大连理工大学实验预习报告 学院：______________________专业:_______________________班级:_____________________ 姓名：______________________学号:_______________________ 实验时间：__________________实验室：__________________实验台：__________________ 指导老师签字：_________________________________________成绩：____________________ 实验目的： 了解熟悉MIPSsim模拟器； 熟悉MIPS指令系统及其特点； 熟悉MIPS体系结构 实验平台： 指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim 资料准备： MIPS64指令系统介绍 1.MIPS的寄存器 32个64位通用寄存器（GPRs整数寄存器）：R0-R31。R0的值永远是0。 32个64位浮点数寄存器FPRs：F0-F31。它们可以存放32个单精度浮点数（32位），也可以存放32个双精度浮点数（64位）。 MIPS提供了单精度和双精度操作的指令，而且还提供了在FPRs和GPRs之间传送数据的指令。2.MIPS的数据表示

整数：字节（8位）、半字（16位）、字（32位）和双字（64位）。 浮点数：单精度浮点数（32位）和双精度浮点数（64位）。 MIPS64的操作是针对64位整数以及32位或64位浮点数进行的。字节、半字或字在装入64位寄存器时，用零扩展或者用符号位扩展来填充该寄存器的剩余部分。装入以后，对它们按照64位整数的方式进行运算。 3.MIPS的数据寻址方式 MIPS的数据寻址方式只有立即数寻址和偏移量寻址两种，立即数字段和偏移量字段都是16位。 寄存器间接寻址是通过把0作为偏移量来实现的，16位绝对寻址是通过把R0作为基址寄存器来完成的。 MIPS的存储器是按字节寻址的，地址是64位。由于MIPS是load-store结构，寄存器和存储器之间的数据传送都是通过load指令和store指令来完成的。所有存储器访问都必须边界对齐。 4.MIPS的指令格式 指令格式简单，其中操作码6位。按不同类型的指令设置不同的格式，共有3种格式，分别对应I指令、R指令和J指令。在这3种格式中，同名字段的位置固定不变。 I类指令 包括所有的load和store指令、立即数指令、分支指令、寄存器跳转指令、寄存器链接跳转指令。其中立即数字段位16位，用于提供立即数或偏移量。 1）load指令 2）store指令 3）立即数指令 4）分支指令 5）寄存器跳转、寄存器跳转并链接

计算机体系结构实验报告二

实验二结构相关 一、实验目的： 通过本实验，加深对结构相关的理解，了解结构相关对CPU性能的影响。 二、实验内容： 1. 用WinDLX模拟器运行程序structure_d.s 。 2. 通过模拟，找出存在结构相关的指令对以及导致结构相关的部件。 3. 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。 4. 论述结构相关对CPU性能的影响，讨论解决结构相关的方法。 三、实验程序structure_d.s LHI R2, (A>>16)&0xFFFF 数据相关 ADDUI R2, R2, A&0xFFFF LHI R3, (B>>16)&0xFFFF ADDUI R3, R3, B&0xFFFF ADDU R4, R0, R3 loop: LD F0, 0(R2) LD F4, 0(R3) ADDD F0, F0, F4 ；浮点运算，两个周期，结构相关 ADDD F2, F0, F2 ; <- A stall is found (an example of how to answer your questions) ADDI R2, R2, #8 ADDI R3, R3, #8 SUB R5, R4, R2 BNEZ R5, loop ；条件跳转 TRAP #0 ;; Exit <- this is a comment !! A: .double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 B: .double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10

四、实验过程 打开软件，load structure_d.s文件，进行单步运行。经过分析，此程序一 次循环中共有五次结构相关。（R-stall 数据相关Stall- 结构相关） 1)第一个结构相关：addd f2,,f0,f2 由于前面的数据相关，导致上一条指令addd f0,f0,f4暂停在ID阶段，所以下一条指令addd f2,,f0,f2发生结构相关，导致相关的部件：译码部件。 2)第二个结构相关：ADDI R2, R2, #8，与第一个结构相关类似。由于数据相关， 上一条指令暂停在ID阶段，所以导致下一条指令发生结构相关。

高等计算机体系结构考题部分答案整理与分析(1).

高等计算机体系结构考题部分答案整理与分析(1) ——2002年高体考试真题解析1.填空题 1)第一台通用流水线计算机是：Stretch，即IBM7030 解析：主要是考察流水线技术的相关背景。最早实现流水线技术的计算机应该是使用Stretch，即IBM7030，使用流水线实现了重叠取指令、译码和执 行。其中还设计了避免冲突的ALU旁路技术。在1964年发布了CDC6600是使 用记分板技术实现动态调度流水线机制的机器。而使用保留站机制的Tomasulo 算法是在IBM 360/91中使用的。知识来源于本科课件第二讲 2)有效检测N位加法溢出的方法是： 察看输入最高位的进位是否等于最高位输出的进位 解析：该知识来自本科计算器加减法运算的相关知识。溢出指运算的结果超出了正常的表示范围。加法溢出只可能出现在两个同为正数或同为负数相加 才可以实现。可用以下方法检测：察看输入最高位的进位是否等于最高位输出 的进位。若不相等则容易知道该数据溢出。 3)时间局部性是指： 如果一个信息项正在被访问，那么近期它还会再被访问 解析：考察流水线及性能改进基础——局部性原理。局部性原理：CPU访问存储器时，无论取指令或者存取数据，访问存储单元都趋向于聚集在一个较 小的连续区域中。局部性原理包含时间局部性和空间局部性。时间局部性指 如果一个信息项正在被访问，那么近期它还会再被访问。原因：由程序循环和 堆栈技术造成的。空间局部性指在最近的将来用到的信息很可能在现在正在使 用的信息在空间地址上临近。原因：由指令顺序执行和数组存放造成。 4)流水线存在的三种相关是：数据相关、名字相关和控制相关 解析：考察指令级并行技术的基础相关知识。相关性是程序的特性，一个相关 是否会导致实际的冒险，该冒险是否会造成停顿，这是流水线结构的基本特征。 指令共有三种不同类型的相关：数据相关、名字相关和控制相关。 2.辨析题 1)加深流水线级数一定可以提升处理器性能。 这句话说法不对。当然在一定条件下加深流水线的级数可以加快流水线处理的 并行度，从而提高处理器的性能。但超过一定限度后，流水线级数无法无限制 地增加并提高处理性能。影响和限制流水线级数来提高性能的因素如下：1）指 令流的并行度有限，当流水线级数增加，即流水线深度增加时，因为相关引起 停顿将最终造成CPI的增加。更深的流水线会造成时钟周期的下降，并受到时 钟扭斜和负载的限制。 2)增加页面大小一定可以提升系统整体性能。 这句话说得不对。由于RAM价格下降，存储器变得更大；处理器和存储器之间 的速度差别更大，因此必须增加页面大小。但增加页面大小会使存储器中的内 部碎片变得严重，从而浪费很多存储空间。因此增加页面大小不一定可以提升 系统整体性能。

大连理工大学计算机系统结构实验-实验四

大连理工大学实验报告计算机系统结构实验 实验四Cache性能分析 学院（系）：电子信息与电气工程学部专业：计算机科学与技术 学生姓名： 班级： 学号： 大连理工大学 Dalian University of Technology

实验四Cache性能分析 一、实验目的和要求 （1）加深对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解。 （2）掌握Cache容量、相联度、块大小对Cache性能的影响。 （3）掌握降低Cache不命中率的各种方法以及这些方法对提高Cache性能的好处。 （4）理解LRU与随机法的基本思想以及它们对Cache性能的影响。 二、实验步骤与操作方法 1、Cache容量对不命中率的影响。 （1）启动MyCache。 （2）用鼠标单击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。 （3）选择一个地址流文件。方法：选择“访问地址”—>“地址流文件”选项，然后单击“浏览”按钮，从本模拟器所在文件夹下的“地址流”文件夹中选取。 （4）选择不同的Cache容量，包括2KB、4KB、8KB、16KB、32KB、64KB、128KB和256KB。分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮即可执行），然后在下表中记录各种情况下的不命中率。 表不同容量下Cache的不命中率 （5）以容量为横坐标，画出不命中率随Cache容量变化而变化的曲线，并指明地址流文件名。

（6）根据该模拟结果，你能得出什么结论？ 答：随着Cache容量的增大，不命中率降低，但是降低的幅度由较大差别，Cache容 量足够大以后，不命中率降到一定程度以后，降低效果不再明显。 2．相联度对不命中率的影响 （1）用鼠标单击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。此时的Cache容量为64KB。 （2）选择一个地址流文件。 （3）选择不同的Cache相联度，包括2路、4路、8路、16路和32路。分别执行模拟器，然后在下表中记录各种情况下的不命中率。 表当容量为64KB时，不同相联度下Cache的不命中率 （4）把Cache的容量设置为256KB，重复（3）的工作，并填写下表。 表当容量为256KB时，不同相联度下Cache的不命中率 （5）以相联度为横坐标，画出在64KB和256KB的情况下不命中率随Cache相联度变化而变化的曲线，并指明地址流文件名。

计算机系统结构实验教程

实验一流水线及流水线中的冲突 实验目的 1.加深对计算机流水线基本概念的理解； 2.理解MIPS结构如何用5段流水线来实现，理解各段的功能和基本操作； 3.加深对数据冲突、结构冲突的理解，理解这两类冲突对CPU性能的影响； 4.进一步理解解决数据冲突的方法，掌握如何应用定向技术来减少数据冲突引起的停顿。 5.加深对指令调度和延迟分支技术的理解； 6.熟练掌握用指令调度技术来解决流水线中的数据冲突的方法； 7.进一步理解指令调度技术和延迟分支技术对CPU性能的改进。 实验平台 指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim， 实验内容和步骤 首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。 一、流水线及流水线中的冲突观察 1. 启动MIPSsim。 2．根据预备知识中关于流水线各段操作的描述，进一步理解流水线窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含义。（用鼠标双击各段，就可以看到各流水寄存器的内容） 3. 熟悉MIPSsim模拟器的操作和使用方法。 可以先载入一个样例程序（在本模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件夹中），然后分别以单步执行一个周期、执行多个周期、连续执行、设置断点等的方式运行程序，观察程序的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容的变化，特别是流水寄存器内容的变化。 4. 勾选配置菜单中的“流水方式”，使模拟器工作于流水方式下。 5．观察程序在流水线中的执行情况，步骤如下： (1)用MIPSsim的“文件”菜单中的“载入程序”来加载pipeline.s（在模拟器所在文 件夹下的“样例程序”文件夹中）； (2)关闭定向功能。这是通过在“配置”菜单中去选“定向”（即使得该项前面没有“√” 号）来实现的； (3)用单步执行一周期的方式（“执行”菜单中，或用F7）执行该程序，观察每一周 期中，各段流水寄存器内容的变化、指令的执行情况（代码窗口）以及时钟周期 图； (4)当执行到第10个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是： IF： ID：

计算机系统结构总结

1、计算机系统的多级层次结构： 物理机：用固件/硬件实现的机器。 虚拟机：由软件实现的机器。（虚拟机中有些操作可以由硬件或固件实现。固件：具有软件功能的硬件）本门课程研究软硬件的交界面 2、计算机系统结构（Computer Architecture）是指传统机器程序员所看到的计算机属性，即概 念性结构与功能特性。 计算机组成（Computer Organization）指的是计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的联系。 计算机实现（Computer Implementation）指的是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中起主导作用。 下面举例说明上三个概念的区别： （1）确定指令系统中是否有乘法指令属于计算机系统结构的内容，但乘法指令时用专门的乘法器实现，还是用加法器经多步操作来实现，属于计算机组成。而乘法器、 加法器的物理实现，入器件的选定及所用的微组装技术等，属于计算机实现。 （2）主存容量与编址方式（按位、按字节或按字访问等）的确定属于计算机系统结构。 为了达到给定的性能价格比，主存速度的快慢、逻辑结构是否采用多体交叉等属 于计算机组成。而主存系统的物理实现，如器件的选定、逻辑电路的设计、微组 装技术的使用等均属于计算机实现。 3、CPU性能取决于CPU时间。 冯?诺依曼计算机以运算器为中心。 4、仿真和模拟的主要区别在于解释执行所用的语言。（仿真是用是微程序解释执行，模拟是 用机器语言程序解释执行） 5、并行性的两层含义：同时性（simultaneity）和并发性（concurrency） （同时性：两个或两个以上的事件在同一时刻发生） （并发性：两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生） 6、看课后题：1.7和1.9

计算机系统结构张晨曦版课后答案

第1章计算机系统结构的基本概念 1.1 解释下列术语 层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。 虚拟机：用软件实现的机器。 翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。 解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。 计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。 在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。 计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。 计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。 系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。 Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。 程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。包括时间局部性和空间局部性。 CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。 测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。 存储程序计算机：冯?诺依曼结构计算机。其基本点是指令驱动。程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。

软件设计与体系结构实验报告

福建农林大学计算机与信息学院 实验报告 课程名称：软件设计与体系结构 姓名：陈宇翔 系：软件工程系 专业：软件工程 年级：2007 学号：070481024 指导教师：王李进 职称：讲师 2009年12月16日

实验项目列表

福建农林大学计算机与信息学院实验报告 学院：计算机与信息学院专业：软件工程系年级：2007 姓名：陈宇翔 学号：070481024 课程名称：软件设计与体系结构实验时间：2009-10-28 实验室田实验室312、313计算机号024 指导教师签字：成绩： 实验1：ACME软件体系结构描述语言应用 一、实验目的 1）掌握软件体系结构描述的概念 2）掌握应用ACMESTUDIO工具描述软件体系结构的基本操作 二、实验学时 2学时。 三、实验方法 由老师提供软件体系结构图形样板供学生参考，学生在样板的指导下修改图形，在老师的指导下进行软件体系结构描述。 四、实验环境 计算机及ACMESTUDIO。 五、实验内容 利用ACME语言定义软件体系结构风格，修改ACME代码，并进行风格测试。 六、实验操作步骤 一、导入Zip文档 建立的一个Acme Project，并且命名为AcmeLab2。如下图：

接着导入ZIP文档，导入完ZIP文档后显示的如下图： 二、修改风格 在AcmeLab2项目中,打开families下的TieredFam.acme.如下图： 修改组件外观 1. 在组件类型中，双击DataNodeT; 在其右边的编辑器中，将产生预览；选择Modify 按钮，将打开外观编辑器对话框。 2. 首先改变图形：找到Basic shape section，在Stock image dropdown menu中选 择Repository类型. 3. 在Color/Line Properties section修改填充颜色为深蓝色。 4. 在颜色对话框中选择深蓝色，并单击 [OK]. 5. 修改图形的边框颜色为绿色 7. 单击Label tab，在Font Settings section, 设置字体颜色为白色,单击[OK] 产生的图形如下图：

高等计算机系统结构习题

★★ 1、解释下列术语 计算机系统结构 计算机组成 计算机实现 【答案】计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。系统结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性，这里的程序设计者是指为机器语言或编译程序设计者所看到的计算机属性，是硬件子系统的概念结构及其功能特性，它是计算机系统的软、硬件的界面。计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。计算机实现是指计算机组成的物理实现。 ★★ 2、解释下列术语 系列机 兼容机 模拟 仿真 【答案】所谓系列机是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机成为兼容机。 系列机方法能够在具有相同系统结构的各种机器之间实现软件移植，为了实现软件在不同系统结构的机器之间的相互移植，可以采用模拟和仿真。模拟方法是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。仿真是指用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法。 ★ 3、SIMD是指（） A、单指令流单数据流 B、单指令流多数据流 C、多指令流单数据流 D、多指令流多数据流 【答案】B ★★ 4、从执行程序的角度看，并行性等级可分为哪些？ 【答案】指令内部并行、指令级并行、任务级或过程级并行、作业或程序级并行。 ★★★ 5、名词解释 Amdahl定律、CPI 【答案】Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。 Fe=（改进前可改进部分占用的时间）/（改进前整个任务的执行时间） Se=（改进前可改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间）

北邮计算机系统结构-WINDLX模拟器实验 报告

实验报告 学院：计算机学院 课程名称：计算机系统结构 实验名称： WINDLX模拟器实验 班级： 姓名： 学号：

实验一 WINDLX模拟器安装及使用 略 实验二指令流水线相关性分析 一．实验类别 验证实验 二．实验目的 通过使用WINDLX模拟器，对程序中的三种相关现象进行观察，并对使用专用通路，增加运算部件等技术对性能的影响进行考察，加深对流水线和RISC处理器的特点的理解。 三．实验环境 Windows XP操作系统 WinDLX模拟器 四．实验原理 指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。相关影响流水线性能。 （1）数据相关 定义：原有先后顺序的两条指令（I1，I2)在对共享变量（位置）进行读、写时，指令流水线中实际完成的读、写顺序与原有顺序不一

致，导致流水线输出错误。 三类数据相关： 写读(WR)相关 读写(RW)相关 写写(WW)相关 解决方法技术： 1. 使某些流水线指令延迟、停顿一或多个周期。 2. 双端口存储器:如果指令和数据放在同一个存储器。 3. 设置两个存储器：一个数据存储，一个为指令存储器。 4. 软件优化编译：通过指令重新排序，消除数据相关。 5. 定向技术：又称旁路技术或专用通路技术，是使后续指令 提前得到前指令的运算结果(适合ALU类指令）（2）结构相关 定义：如果某指令在流水线重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，会产生资源冲突或竞争，称为流水线结构相关 解决方法技术： 1. 延迟技术：使某些指令延迟、停顿一或多个时钟周期 2. 双端口存储器：允许同时读两个数据或指令 3. 设置双存储器（哈弗结构）：一个数据存储，一个指令存 储。 4软件优化编译：通过指令重新排序消除结构相关。 （3）控制相关 定义：控制相关是指因程序执行转移类指令而引起的冲突相关。包括无条件转移、条件转移、子程序调用、中断等，它们属于分支指令，执行中可能改变程序方向，造成流水线断流。 解决方法技术： 1、静态分支技术 静态转移预测技术(猜测法) ； 延迟转移； 提前形成条件码，生成转移目标地址； 改进循环程序； 2、动态分支预测技术 转移历史表BHT； 转移目标缓冲栈（BTB）； 转移目标指令缓冲栈BTIB； 五．实验步骤 （1）观察程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中出现上述现象的指令组合。 （2）考察增加浮点运算部件对性能的影响。 （3）考察增加forward部件对性能的影响。 （4）观察转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销。 注意：除（2）以外，浮点加、乘、除部件都只有一个；