哈工程体系结构实验

1、实验报告学生姓名：学号：时间：2015 年 6 月 27 日 8 : 00 17 :30地点：21号楼427实验室实验课程名称：计算机体系结构(随意自己，但是能体现二个相关计算机性能等)一、实验名称：流水线中的相关 一求最小公倍数二、实验原理：1、WinDLXWinDLX模拟器是一个图形化、交互式的 DLX流水线模拟器，能够演示DLX流水线是 如何工作的。该模拟器可以装载DLX汇编语言程序(后缀为“ .s ”的文件)然后单步、设断 点或是连续执行该程序。CPU的寄存器、流水线、I/O和存储器都可以用图形表示出来，以 形象生动的方式描述DLX流水线的工作过程。模拟器还提供了对流水线操作的统计功能

2、，便 于对流水线进行性能分析。2、流水线执行过程：指令执行的5个阶段(1) 取指令周期(2) 指令译码/读寄存器周期(3) 执行/有效地址计算周期(4) 存储器访问/分支完成周期(5) 写回周期3、流水线中的相关：(1) 结构相关：当某一条机器指令需要访冋物理器件时，如加法器，此时加法器正被另一条机器指令使用，从而产生结构相关；(2) 数据相关：当某一条指令需要访问某个寄存器时，此时这个寄存器正被另一条指令所使用，从而产生数据相关；(3) 控制相关：当程序执行到某个分支语句时，顺序执行的下一条语句将被跳过而去执行 分支语句中满足条件的那条指令，从而产生控制相关。三、实验目的：(不改)1、通过该

3、模拟实验，进一步掌握和巩固流水线的基本知识;2、初步掌握在特定体系结构下的汇编代码的编写和优化；3、培养运用所学知识解决实际问题的能力4、对流水线性能分析5、了解影响流水线效率的因素6、了解各类相关及解决方法四、实验内容：（根据具体情况修改，文件名字可修改，其他不用改）使用WinDLX 模拟器，对Icm.s做如下分析：（1）分析Icm.s和imput.s输入顺序不同时产生的影响。（2）分析Icm.s中汇编语言含义，同时分析程序执行流程。（3）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。（4）考察增加浮点运算部件对性能的影响。（5）考察增加forward部件对性能的影

4、响。（6）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；本问题中所有浮点延迟部件设置为：加法：2个延迟周期；乘法：5个延迟周期；除法19个延迟周期。五、实验器材（设备、元器件）：IBM PC兼容机Win dows 3.0 以上的操作系统六、实验步骤及操作：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“ResDtLX”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

5、将fact.s和input.s 这两个程序装入主存：点击lcm.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。七、 实验数据及结果分析：（修改，自己写一个程序完成某个功能，如何体现的 三个相关，对计算机性能有什么影响）1、先装入lcm.s再转入input.s时，因为程序顺序执行，地址顺序符合程序执行顺序，程序能够正确执行；顺序相反时，因为in put.s的地址高，而程序顺序执行到in put.s时将没有正确的输入窗口，程序执行到输出结果时，也不会出现结果I f LLifl! V L hjl : V £x V

6、Clil! P|*TiDTir C Uthl 3.I. EM UH. L «ti< LTat al.?19l2yiHe-|5)E-Ke£xilMiD直阳:：ed母1雲lr±1,ljc叩攸|ri lli.<i,Cifl( Jovf Pp 卜“Al t- "-Jill J.U-i-LdLtuU.Mtr uj? '32763 EsdcE.-itag.-sT. I iijred 匸jUe孑 二rnjLX |歹：便aiEi 匚yefer 勺日gw - 1lr >nq jjred fyc' "1rC<vwdngrj

7、M±dJEitall bWih. I) IO.COX 廿 dl CE利I5IiukSI 对* l=：|：.i 2S Mdl 匚产M Lonkd eLbIs ili |L.JJ & bI Cjjdeil IT iqp jla| 5- If |I1 ? bI fiflCfClMlTnsd I 3 駅/町苗了 4? of ! Cyctes)Co i.月 i t i h-1 Bt-a :.ch 芒 J1 liU 1i k 41： _ U dln sjGlion乳 Ih曰eiZ 4vfi 4130 昭d 出的nd Bfandw) nd at.er. 3 |B9.上揺al d cond,

8、 Bianc-wlIrtd- -S fcI m t tie f 11Tai-dl 27 21 713; of llnairj匚石“琨 Ihentcr iMKfc 12 ISEJTnUiMigElraituOlimsl 5lnr-1 - (c F:Tr cf .我 再kfA fisfrjdia'nepjijkt -frt&ge LA.ttr'acli.uEii；l 口姑 G jtil :g- al inshucticni!；! tTsisof.Ad*une U (J.ULn. ol Hctaing art rnLjl MulQtEnE；irf F baling paml

9、dagninitlDiueuhz 2 11 J. J j 琴 oi Fbilinz pep I dtsqe -niTth -TlJ$ f (6 1 Ca dll lrt=mi?l«：rF=:)如上图所示，三种相关均出现，数据相关 89项，结构相关18项，控制相关14项 2、程序中出现数据相关lbur3,0x0( seqi r5,r3,0xa bnez r5, Finish程序中出现控制相关sgt r3,r1,r2bnezr3,r1Greater程序中出现结构相关:div r6,r4,r1div r7,r5,r1dM| MtM | WV |rSWi1nilricnrnil iS jTj

10、S* i忖 swPteiirtMjeiFji.rsinnSLafl3、源程序分析.data;*prompts for in putPromptl:.asciiz "First Number:"输入第一个数Prompt2:.asciiz "Seco nd Number:" ;输入第二个数;Data for Prin tf-TrapPrin tfFormat:.asciiz"LCM=%dnn"输出最小公倍数Prin tPar:Prin tValue:.alig n 2.wordPrin tfFormat.space;表示下面采用字对齐.t

11、ext;第一代码段，默认情况下代码段 $CODE会加载到内存0x100地址处.global main;定义一个全局符号main，即该代码段的首地址main:addir1,r0,Prompt1;第一个数加r0给r1jalIn putU nsig ned;调用 InputUnsignedaddr2,r1,r0;将第一个数存到r2addir1,r0,Prompt2;第二个数存到r1jalIn putU nsig nedaddr4,r1,r0;将r1的值存入r4addr5,r2,r0;将r2的值存入r5;*read two positive in teger nu mbers into R1 and

12、R2函数输入R1Loop:;*比较R1和R2seq r3,r1,r2;只仁 R2?bnez r3,lcm;转至U Icmsgt r3,r1,r2;R1>R2?bnezr3,r1Greater ; 转到 rIGreatr2Greater:;*subtract r1 from r2sub r2,r2,r1;r2-r1->r2j Loop ;循环 r1Greater:;*subtract r2 from r1sub r1,r1,r2;r1-r2->r1j Loop ;循环lcm:divr6,r4,r1;r4/r1->r6divr7,r5,r1;r5/r1->r7mult

13、r8,r6,r1;r8=r6*r1mult r9,r7,r8丁9=r7*r8result:sw Prin tValue,r9 ;output the resultaddir14,rO,Pri ntPartrap5;*e ndtrap0输入第一个数第二4、查看实验结果，程序执行完成后出现消息”Trap #0 occurred个数5，输出最小公倍数为20| ME制 |R-Stall11IFStallD I-:IF OLB-Sr andaid-r/0F i rst PunibiTT 4 Ecetid Hunber: 5 1LM-2D'6、使用定向技术，观察数据如下图)iVinLESlat i

14、 >t icsFil« TitiJflT Lj»cut<£&ik£itur*tii on $4*1 Total204tKecutedIQ RWri衬 b)f IM lrM4n>ctiik*i(*l- ；.irutiucwMfj curt ent中 n PipetneTlai'vate ccaiAt iqh何十叱纱；izt竟Bj/bn tdEX-$t«e- 1. rpjjiMiCjfcies- 2 linJEM-StpgeL 1 t-fdfvfX-SiiX- 1. reoM«d Cycles IS Fq

15、cz舸q f btedStalls;FWVZ：i#h fii -：i' cf al 匚艸治门”旳超7LDJ b JU pf HAWBmchAJLntp side: 11(26.00 of fVM HA Rohg port rids:左料 DC* ol FUW irAl WWWstK OfOOOciaiCjciMjStiuc turaJ 口: 18 |c 32 1 ot al Clei'l tonfiol ：4#L M K d al CycltiTrp 2H10 ；T M alCycleilT 世 1 13 $ t<«| (E !： 19'Jq* 口kH增加forward部件后，以下数据发生变化:(1)、周期数减少到204 (原为219)(2)、数据相关减少到50 (原为89)可见增加forward部件后，总周期数减少，数据相关减少，由于该部件的使用，将运算结 果值提前传送到有关缓冲寄存器，使后续指令得以不停顿地进入流水线，并及时得到需要的 操作数，所以性能有所提高。加速比：219/204=1.0735八、实验结论：程序的装入要严格