计算机组成原理实验报告

1、上海大学计算机学院 计算机组成原理实验报告十三 姓名 刘梦茹学号 12122517 教师 顾惠昌 时间 周三7-9 机位 23报告成绩 实验名称：建立指令流水系统 一、实验目的 1. 了解指令流水系统的设计方式。 2. 编制一条可以流水方式运行的指令。 二、实验原理 1. 硬部件的并行工作。 A+ W把“和”右移一位、把值送OUT这三个子操作为什么可以同时进行呢？因为这 三个子操作使用的硬件（包括总线）互不相同，于是可以同时工作。这一特点表现在微 指令编码上，就是这三个子操作的微指令码中为低电平（有效）的都不相同，于是可 以将这三个子操作的微指令码合并成一个微指令 2. 指令流水执行 指令流水

2、模式，每条指令都应该分成几个独立的子操作，当前趋指令的后几个子操作 与后继指令的前几个子操作不使用同样的硬件时，系统就可设计成流水线方式。同一 时间有多条指令各自在不同的硬件中执行，而对同一条指令而言，不同时间顺序在不 同的硬件中执行 3. 实验箱系统的指令流水硬件基础 “取指令”的微操作，其微指令码微 CBFFFF与大多数的微操作无关。在厂家给的默 认指令系统中这个操作编在了每条指令的最后一个状态，即每条指令的操作完成后就 取进下一条指令。这是典型的“取指、执行、取指”模式。即一条指令先被“取 指”，再执行其他微操作，完成后再取下一条指令。如果一条指令的最后一个微操作 与取指无关，就可以把二

3、者合并成一个微指令，于是这个指令的最后一个微操作与取 下一条指令并行进行。对下一条指令而言，其“取指”与“其他操作”在不同硬件中 顺序执行指令二级流水。 4. 实验箱系统实现指令流水的技巧 一条指令的最后一个微操作与取指无关，就可以把二者合并成一个微指令。若 取指令操作（CBFFFF与它前面的微操作码没有相同的位为 0,则这两个微操作码的“与” 就是二者合并后的微指令。在程序中这条指令就会和它的后继指令形成二级流水模式。 三、实验内容 1. 分析流水指令集insfile2.MIC 。 2. 改造实验十二中自己编制的指令集，使其中至少一条指令成流水方式。 3. 在自己编制的两个指令集中运行同一个

4、程序，观测运行情况和效率。程序来源自 定。 四、实验步骤 1.在CP226环境中，通过“文件”下拉菜单的“调入指令系统/微程序”操作，把“c: program filesCP226 计算机组成原理”目录下的insfile2.MIC 调入系统，在指令系统窗口 逐条观察指令的各微指令码，与指导书103到110页的对应指令的微指令码比较，分析二 者的异同 2. 仿照insfilel.MIC 和insfile2.MIC的异同改造自己编制的指令集。并在两个指令系统 中运行同一个程序。 3. 在实验十二中我们已经编制了自己的指令集，稍加修改即可 4. 把实验十二中的asm文件中的“延迟”去掉，在其后加上7

5、-8个“输出”；把dat、mic、 mac中的“延迟”相关的东西都去掉，保存程序。 5. 在4的基础上改动mic中的“ A-W和“输出”的指令，把取指指令改为“ FFFFFF ,保 存文件。 5. 打开CP226打开调入指令系统，把原来 4改过的指令集调入到 CP226中，打开asm文 件，打开实验箱，编译、全速运行，观察实验箱中OUT现象。 6. 打开调入指令系统，调入5中改过的程序，编译、全速运行。观察实验箱中OUT中的现 象。 asm文件： L1: 输入A,#55h 输出 输出 输出 输出 输出 输出 输出 输出 输出 输出 输入A,#22h 输出 输出 输出 输出 输出 输出 输出 输

6、出 输出 输出 输入A,#55h A-W A,#22h 输出 输出 输出 输出 输出 输出 输出 输出 输出 输出 跳到L1 END 4中修改的指令集： mic: 输出 _FATCH_ TO 00 CBFFFF 指令寄存器IR A 01 FFFFFF A 输出 02 FFFFFF A 输出 03 FFFFFF A 输出 04 FFFFFF A 输出 05 FFFFFF A 输出 06 FFFFFF A 输出 07 FFFFFF A 输出 08 FFFFFF A 输出 09 FFFFFF A 输出 0A FFFFFF A 输出 0B FFFFFF A 输出 0C FFFFFF A 输出 0D F

7、FFFFF A 输出 0E FFFFFF A 输出 0F FFFFFF A 输出 A-W A,#* T2 10 C7FFEF 存贮器值EM 寄存器W PC 输出 A输出 T1 11 FFFE91 ALU 直通 寄存器A标志位C,Z 加运算 TO 12 CBFFFF 指令寄存器IR PC 输出 A输出 13 FFFFFF A 输出 输出 T1 14 FFDF9F ALU 直通 用户 OUT A 输出 TO 15 CBFFFF 存贮器值EM 寄存器W MAR 输出 A输出 16 FFFFFF ALU 直通 寄存器A标志位C,Z 加运算 17 FFFFFF 指令寄存器IR PC 输出 A输出 跳到*

8、 T1 18 C6FFFF 存贮器值EM 寄存器PC PC 输出 A输出 TO 19 CBFFFF 指令寄存器IR PC 输出 A输出 1A FFFFFF A 输出 1B FFFFFF A 输出 输入 A,#* T1 1C C7FFF7 存贮器值EM 寄存器A PC 输出 A输出 T2 1D CBFFFF 指令寄存器IR PC 输出 A输出 1F FFFFFF A 输出 mac _FATCH_ OOOOOOxx 00-031 OOOOOIxx 04-041 000010 xx O8-OB 1 OOOO11xx OC-OF 1 A-W A,#* 000100 xx 10-13 II 2 输出 0

9、00101xx 14-171 跳到* 000110 xx 18-1B MM 2 输入A,#* 000100 xx 1C-1F II 2 dat: A-W A,#* 10 2 输出 141 跳到* 18 2 输入A,#* 1C 2 1E FFFFFF A 输出 5中修改的指令集（流水系统）： mic: _FATCH_ TO 00 CBFFFF 指令寄存器IR A 输出 01 FFFFFF A 输出 02 FFFFFF A 输出 03 FFFFFF A 输出 04 FFFFFF A 输出 05 FFFFFF A 输出 06 FFFFFF A 输出 07 FFFFFF A 输出 08 FFFFFF

10、A 输出 09 FFFFFF A 输出 0A FFFFFF A 输出 0B FFFFFF A 输出 0C FFFFFF A 输出 0D FFFFFF A 输出 0E FFFFFF A 输出 0F FFFFFF A 输出 A-W A,#* T2 10 C7FFEF 存贮器值EM 寄存器W PC 输出 A输出 T1 11 CBFE91 ALU 直通 寄存器A标志位C,Z 加运算 12 FFFFFF 指令寄存器IR PC 输出 A输出 13 FFFFFF A 输出 输出 T1 14 CBDF9F ALU 1直通 用户 OUT A 输出 15 FFFFFF 存贮器值EM 寄存器W MAR 输出 A输出

11、 16 FFFFFF ALU 直通 寄存器A标志位C,Z 加运算 17 FFFFFF 指令寄存器IR PC 输出 A输出 跳到* T1 18 C6FFFF 存贮器值EM 寄存器PC PC 输出 A输出 TO 19 CBFFFF 指令寄存器IR PC 输出 A输出 1A FFFFFF A 输出 1B FFFFFF A 输出 输入 A,#* T1 1C C7FFF7 存贮器值EM 寄存器A PC 输出 A输出 T2 1D CBFFFF 指令寄存器IR PC 输出 A输出 1F FFFFFF A 输出 mac _FATCH_ OOOOOOxx 00-031 OOOOOIxx 04-041 00001

12、0 xx O8-OB 1 OOOO11xx OC-OF 1 A-W A,#* 000100 xx 10-13 II 2 输出 000101xx 14-171 跳到* 000110 xx 18-1B MM 2 输入A,#* 000100 xx 1C-1F II 2 dat: A-W A,#* 10 2 输出 141 跳到* 18 2 输入A,#* 1C 2 1E FFFFFF A 输出 五、实验现象 调用4中修改的指令集后，OUT依次交替显示55、22、33,调用5中修改的流水程 序后，交替显示55、22、33的速度加快。 六、实验结论 流水系统可以缩短指令执行的时间，实验现象与实验预期一致。 七、建议 八、体会 这次实验时在实验十二编写自己的汇编指令集的基础上来做的，只不过把实验十 二中指令集mic文件中的“ A-W和“输入”取值指令“ CBFFFF改为“ FFFFFF, 然后把指令集中所有与“延迟”有关的指令都删去，把asm文件延迟去练换为7-8 个“输出”指令。 通过实验，深刻体会到了流水系统指令可以加快缩短指令执行的时间，有助于指