windlx系统结构实验报告.doc

计算机系统结构课程实验湖北经济学院 实验报告书课程名称： 计算机系统结构 题 目： windlx模拟器实验 学生姓名： 魏丽敏 专 业： 计算机科学与技术 班 级： 信管计科q0941 学 号： 091501007 指导老师： 叶雪军 日 期： 2012 年 5 月 4 日实验一 熟悉windlx的使用一、实验目的： 熟悉windlx的的基本概念和使用，了解各种不同指令在流水线的实际流动情况，对流水线做性能分析，加深对流水线及risc处理器的理解二、实验平台：windlx模拟器可以装入dlx汇编语言程序，然后单步、设置断点或者连续执行该程序。cpu的寄存器、流水线、i/o和存储器都可以使用图形的方式表示出来。模拟器还提供了对流水线操作的统计功能。该模拟器对理解流水线和risc处理器的特点很有帮助。 windlx要求的硬件平台是ibm pc兼容机，windlx是一个windows应用程序，运行于windows 3.0以上的操作系统。3、 实验内容1. 用windlx模拟器执行求阶乘程序fact.s 。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. 用windlx模拟器执行程序gcm.s 。 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。3. 用windlx模拟器执行求素数程序prim.s。 这个程序计算若干个整数的素数。4. 通过上述使用windlx，总结windlx的特点。四、实验步骤和结果分析：使用windlx模拟器，对fact.s做如下分析：开始模拟之前的准备工作： (1) 通过双击 windlx 图标启动windlx，将出现一个带有六个图标的主窗口： (2)进行初始化模拟器, 点击file 菜单中的 reset all 菜单项，弹出一个“reset dlx”对话框。然后点击窗口中的“确认”按钮即可。(3)在开始模拟之前，至少应装入一个程序到主存。为此，选择file / load code or data，窗口中会列出目录中所有汇编程序。fact.s 计算一个整型值的阶乘； input.s中包含一个子程序，它读标准输入（键盘）并将值存入dlx处理器的通用寄存器r1中。按如下步骤操作，把fact.s和input.s加载入主存。点击 fact.s点击 select 按钮点击 input.s点击 select按钮点击 load按钮得到如下图：弹出一下询问对话框，点击“是”。1. 观察增加浮点运算部件对性能的影响。(1)点击configuration打开菜单，然后点击floating point stages菜单项，选择如下标准配置： (2)再点击executerun，输入15点，回车，在弹出的对话框出现消息trap #0 occurred 表明最后一条指令 trap 0 已经执行， trap指令中编号“0”没有定义，只是用来终止程序。点击确定。按f5进行查看：关闭上面的对话框，在statistisc中得到结果如下所示： (4) 修改浮点数一次，参数如下图：修改浮点数后，单击ok，再点击executerun，输入15点，回车，在弹出的对话框中点击确定。然后在statistisc中得到结果如下所示：(5) 修改浮点数二次，参数如下图：执行程序，输入点数15，然后在statistisc中得到结果如下所示：用windlx模拟器执行求最大公倍数程序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。注意：gcm.s中调用了input.s中的输入子程序。load程序时，要两个程序一起装入（都select后再点击load）。如：给出两组数6、3和6、1，分别在main+0x8(add r2, r1, r0)、gcm.loop（seg r3,r1,r2）和result+0xc(trap 0x0)设置断点，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，然后单击主菜单execute/display dlx-i/o,观察结果。3 2 1 实验源程序见文件gcm.s和input.s结果截图如下：同理，用windlx模拟器执行求素数程序prim.s。这个程序计算若干个整数的素数。熟悉windlx的运行环境。5、 实验总结：1、 通过本实验我掌握了windlx模拟器的基本操作和使用，了解dlx指令集结构及其 特点，更加深入的了解计算机系统流水线的工作过程。2、在这次的实验中，开始时候发觉自己对windlx模拟器的很多知识都不理解，对系统结构的理解太少，在做实验过程中才渐渐有了个大概的了解和深入，程序如何进行运行，数据的如何查看，如何计算上让自己反复弄好好几次，不过在反复试验之后最后终于弄明白了，还有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上，也不明白程序是如何模拟转移的，但最后在同学的帮助下，才得以解决，在这让我明白自己对计算机系统结构的认识有待更好的加强。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。2、 实验平台：windlx模拟器可以装入dlx汇编语言程序，然后单步、设置断点或者连续执行该程序。cpu的寄存器、流水线、i/o和存储器都可以使用图形的方式表示出来。模拟器还提供了对流水线操作的统计功能。该模拟器对理解流水线和risc处理器的特点很有帮助。 windlx要求的硬件平台是ibm pc兼容机，windlx是一个windows应用程序，运行于windows 3.0以上的操作系统。三、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。四、实验步骤和结果分析：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。存在结构相关的程序如下：1. ld f0, 0(r2) addd f2, f0, f2 ; - a stall is found (an example of how to answer your questions) 2. addi r2, r2, #8 addi r3, r3, #83. addi r3, r3, #8 sub r5, r4, r24. sub r5, r4, r2 bnez r5,3. 记录由结构相关引起的暂停时钟周期数 9 ，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。9/139=6.475% 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。 5.执行之后得到的结果截图如下6.程序分析如下：在执行指令addi r2, r2, #8 ， addi r3, r3, #8 ， sub r5, r4, r2 ，bnez r5, loop 时，实际上是1addi r2, r2, #8 addi r3, r3, #8 2. addi r3, r3, #8 sub r5, r4, r2 3. sub r5, r4, r2 bnez r5,在这3个步骤中会发生同时访问同一寄存器的现象，必然会导致结构相关的问题。为了避免结构相关，可以考虑采用资源重复的方法，即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，也可以考虑将cache分为指令cache和数据cache。实验三 数据相关一、实验目的：通过本实验，加深对数据相关的理解，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。2、 实验平台：windlx模拟器可以装入dlx汇编语言程序，然后单步、设置断点或者连续执行该程序。cpu的寄存器、流水线、i/o和存储器都可以使用图形的方式表示出来。模拟器还提供了对流水线操作的统计功能。该模拟器对理解流水线和risc处理器的特点很有帮助。 windlx要求的硬件平台是ibm pc兼容机，windlx是一个windows应用程序，运行于windows 3.0以上的操作系统。三、实验内容：1. 在不采用定向技术的情况下（通过configuration菜单中的enable forwarding选 项设置），用windlx模拟器运行程序data_d.s 。2. 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. 在采用定向技术的情况下，用windlx模拟器再次运行程序data_d.s。4. 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。5. 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。四、实验步骤和结果分析：1. 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104以及程序执行的总时钟周期数202，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比51.48%。2. 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，128 30 23.44%并计算采用定向技术后性能提高的倍数220/128=1.723. 采用定向技术时运行该程序:从数据中可知程序执行的总时钟周期数202，暂停时钟周期数104,暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比51.48%。4. 采用定向技术时运行该程序：从数据中可知，执行的总时钟周期数128，暂停时钟周期数30,暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比23.44%。由此可知，运用定向技术，减少了数据相关，缩短了程序的执行周期，性能提高了1.57倍。5. 运行结果截图如下：实验四 指令调度一、实验目的：通过本实验，加深对指令调度的理解，了解指令调度技术对cpu性能改进的好处。2、 实验平台：windlx模拟器可以装入dlx汇编语言程序，然后单步、设置断点或者连续执行该程序。cpu的寄存器、流水线、i/o和存储器都可以使用图形的方式表示出来。模拟器还提供了对流水线操作的统计功能。该模拟器对理解流水线和risc处理器的特点很有帮助。 windlx要求的硬件平台是ibm pc兼容机，windlx是一个windows应用程序，运行于windows 3.0以上的操作系统。三、实验内容：1. 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。2. 用windlx模拟器运行调度前的程序sch-before.s 。记录程序执行过程中各种相 关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数。3. 用windlx模拟器运行调度后的程序sch-after.s ，记录程序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。4. 根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。5. 论述指令调度对于提高cpu性能的意义。四、实验步骤和结果分析:1、双击windlx图标运行windlx。装入测试程序之前，先初始化windlx模拟器：点击file 菜单中的 reset all 菜单项，弹出一个“reset dlx”对话框。然后点击窗口中的“确认”按钮即可。2、选择file / load code or data，按如下步骤操作，可将sch-before.s和input.s这两个程序装入主存：点击sch-before.s点击select按钮点击input.s点击select按钮点击load按钮3、按f7键程序顺序执行观察6个子窗口的情况。4、再选择file / load code or data，按如下步骤操作，可将sch-after.s和input.s这两个程序装入主存：点击sch-after.s点击select按钮点击input.s点击select按钮点击load按钮5、 按f7键程序顺序执行观察6个子窗口的情况。6.指令调度前运行结果图：程序执行的总时钟周期数：250数据相关次数：75结构相关次数：32总相关次数：14