計算機系統(tǒng)結構課程設計.doc

河北大學工商學院計算機系統(tǒng)結構課程設計 學 部 信息科學與工程學部 學科門類 工學 專 業(yè) 網絡工程 班 級 網絡一班 學 號 2007480218 姓 名 張楊 2010年 6月20日河北大學工商學院計算機系統(tǒng)結構課程設計目 錄第1章 引言1第2章 WinDLX指令集22.1 WinDLX指令集簡介22.2 WinDLX指令集結構2第3章 WinDLX模擬器33.1 WinDLX模擬器的安裝33.2 WinDLX模擬器的配置33.3 WinDLX運行及模擬結果分析3第4章 基于WinDLX模擬器的流水線模擬與分析44.1 結構相關44.2 數據相關44.3 指令調度5第5章 基于SimpleScalar模擬器的Cache性能分析75.1 實驗目的75.2 SimpleScalar簡介75.3 測試程序分析75.4 實驗內容及步驟75.5 實驗結果分析7總結8參考文獻9第1章 引言 20世紀70年代初，人們開始認識到軟件價格要比硬件增長的快，編譯器和操作系統(tǒng)越來越大，因此人們希望引入強有力的、基于軟件的系統(tǒng)結構來解決軟件危機。DEC的VAX系列因而登上歷史舞臺，VAX的設計目標是簡化高級語言的編譯，其指令集結構就是CISC的典范，有300多條指令，十幾種尋址方式，指令字長度從1字節(jié)到53字節(jié)，具有高度的正交性，甚至允許把高級語言的一條語句直接映射為一條機器指令。Each instruction in a CISC instruction set might perform a series of operations inside the processor.每個指令集CISC的指令可能在執(zhí)行處理器系列內的行動， This reduces the number of instructions required to implement a given program, and allows the programmer to learn a small but flexible set of instructions.這將減少所需的指令數實現一個給定的程序，并允許程序員學習一個小而靈活的指令集。但1991年Bhandarkar和Cark給出了VAX與RISC計算機比較后有關缺點的大量分析，在技術上宣布了VAX的死刑。20世紀80年代初，計算機系統(tǒng)結構開始為語言提供高級硬件支持的方向轉移出來為了提高CPU的執(zhí)行速度，RISC應運而生。1975年，IBM 801開始研制，項目負責人John Cocke因此獲得Eckert- Mauchly獎和Turing獎。1980年，Patterson和他在Berkeley的同事們研發(fā)了RISC-1和RISC-2。1981年，Hennessy和他在Stanford的同事們發(fā)表了介紹MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline System）的文章。這些研究成果被工業(yè)界廣泛采用，MIPS系列是RISC的典型代表。20世紀80年代RISC型CPU誕生了，相對于CISC型CPU ,RISC型CPU不僅精簡了指令系統(tǒng)，還采用了一種叫做“超標量和超流水線結構”，大大增加了并行處理能力。1995年左右，設計師開始使用高性能通用處理器和科學應用處理器的技術來設計DSP（數字信號處理）指令集結構，使其有更高的并行度，更快的時鐘頻率，更簡單的類RISC指令集。由于RISC的指令格式統(tǒng)一，種類比較少，尋址方式也比復雜指令集少，處理速度提高很多了。因此RISC指令系統(tǒng)更加適合高檔服務器的操作系統(tǒng)UNIX和Linux。目前在中高檔服務器中普遍采用RISC指令系統(tǒng)的CPU，特別是高檔服務器全都采用RISC指令系統(tǒng)的CPU。第 14 頁 共 16 頁第2章 WinDLX指令集2.1 WinDLX指令集簡介在計算機系統(tǒng)結構-量化研究方法一書中，作者定義DLX是世界上第二臺多元未飽和的計算機它是當今實驗與商業(yè)計算機的平均。DLX指令集結構是對當前大多數指令集結構研究的結果，是一種適合于學習和研究的指令集結構模型，不僅僅因為它在當前十分流行，同時因為它是一種容易理解的系統(tǒng)結構。WinDLX便是一個基于Windows的DLX模擬器。2.2 WinDLX指令集結構2.2.1 WinDLX的寄存器DLX有32個32位通用寄存器（GPR），名稱為R0，R1，R2，R31，另外還有一組浮點寄存器（FPR）它們既可以用作32個32位單精度浮點寄存器，也可以奇偶配對來存儲雙精度浮點數，即F0和F1構成一個64位雙精度浮點數寄存器，F2和F3構成一個64位雙精度浮點數寄存器，以此類推。這些64位浮點數寄存器被命名為F0，F2，F28，F30 這樣，DLX就提供了32個32位單精度浮點數寄存器或16個64位雙精度浮點數寄存器。寄存器R0的值永遠是零。有這樣一個特點，就可以利用這個寄存器由簡單指令集來合成一組有用的操作。另外，還有一些特殊用途的寄存器，這些寄存器可以和通用寄存器交換數據。2.2.2 WinDLX的數據表示DLX能處理的數據類型有8位字節(jié)，16位半字、32位整數字以及32位單精度浮點數和64位雙精度浮點數。DLX處理字符數據要使用8字節(jié)，使用16位半字，是因為它在類似C的語言中出現，在操作系統(tǒng)代碼中半字數據類型也很流行，使用32位整數字，是因為DLX認為32位整數的處理范圍一般而言已經足夠；之所以有32位單精度浮點數，是因為和16位半字同樣的理由；之所以有64位雙精度浮點數，是因為和32位整數同樣的理由。DLX的操作主要面向32位整數以及32位或64位浮點數。字節(jié)或半字在被調入32位寄存器時，用零或者符號位填充32位寄存器的高位剩余部分，一旦被調入寄存器，它們將按照32位整數的方式進行計算。2.2.3 WinDLX的尋址方式利用R0寄存器永遠為零的特性，DLX用很少的硬件代價，提供了5種尋址方式。它們是：寄存器尋址方式；立即數尋址方式（立即數范圍為16位）；位移尋址方式（某寄存器的值加上位移量形成操作數的地址）；寄存器間接尋址方式（位移尋址方式中位移量等于0）；直接尋址方式（位移尋址方式中寄存器用R0）。2.2.4 WinDLX指令格式由于DLX的尋址方式較少，因此在指令格式中沒有必要專門設置尋址方式描述位，可以將其直由于DLX的尋址方式較少，因此在指令格式中沒有必要專門設置尋址方式描述位，可以將其直指令字長度32位（單字長指令），其中操作碼占6位。I型指令6 5 5 16 操作碼源寄存器目的寄存器立即數R型指令 6 5 5 5 11操作碼源寄存器1源寄存器2目的寄存器功能碼J型指令 6 26操作碼與PC相加的偏移量I型指令格式主要用來對各種類型數的存取操作指令編碼，即各種Load指令和Store指令，含義為：從內存單元（地址為源寄存器值+立即數）取數至目的寄存器；或把源寄存器中值存在內存單元（地址為目的寄存器值+立即數）中；或把立即數送到目的寄存器中（源寄存器不用）。I型指令格式還用來為分支指令編碼，包括條件分支指令（此時，立即數是相對目標地址，源寄存器是判斷條件，目的寄存器不用），寄存器跳轉指令（此時，源寄存器里是目標地址，目的寄存器不用）和寄存器跳轉并連接指令（此時，源寄存器里是目標地址，立即數為0，目的寄存器也為0，該指令主要用于過程調用）。R型指令格式主要用來為各種算數/邏輯運算指令編碼，含義為：源寄存器1和源寄存器2進行功能碼指定的操作，并把結果存入目的寄存器中。另外，R型指令還為讀寫特殊寄存器指令和寄存器之間的傳送指令編碼。J型指令格式主要用來為跳轉并連接指令（注意不是寄存器跳轉并連接指令）和陷阱與異常返回指令編碼。2.2.5 WinDLX指令集DLX指令大致可以分為4大類：加載/存儲、ALU操作、分支與跳轉和浮點數操作。所有通用寄存器GPR和浮點數寄存器FPR都可作為加載或存儲之用，唯一例外是R0，加載R0是沒有意義的。單精度浮點數占用一個浮點數寄存器，雙精度浮點數占用一對浮點數寄存器。單精度浮點數與雙精度浮點數之間的轉換必須顯式地進行。所有的ALU指令都是寄存器-寄存器指令，包括簡單的算術和邏輯操作：加、減、與、或、異或和移位，所有這些指令都支持立即數尋址方式，它帶有一個16位的符號擴展立即數。LHI（Load High Immediate）操作將立即數加載到寄存器的高半字，而將低半字設為0，這使得一個32位的常數可以用兩條指令來建立。如上所述，R0經常被用來合成通用操作，加載一個常數的操作可以由一個立即數和一個源操作數是R0的加法來實現，寄存器-寄存器傳送可以通過其中一個源操作數是R0的加法來完成（DLX有時用助記符LI代表加載來指前者，而用MOV來指后者）。 還有比較兩個寄存器的比較指令（，），如果條件為真，則比較指令將在目的寄存器中放入一個1（代表真）；否則放入一個0。由于這些操作都設置寄存器，因此它們被叫做set-equal，set-not-equal，set-less-than等，同時這些比較指令也具有立即數尋址方式。控制由一組跳轉指令和一組分支指令來處理。4種跳轉指令由指定目的地址的兩種方式和是否進行鏈接來區(qū)分。有兩種跳轉指令把26位帶符號的位移量加到PC中來確定目的地址；另外兩種跳轉指令通過指定包含目的地址的寄存器來確定目的地址。有兩種跳轉：簡單跳轉，跳轉并鏈接（用于過程調用），后者把返回地址下一個順序指令的地址放入寄存器R31。所有的分支都是有條件的。分支條件由指令確定，可能是測試源寄存器是否為0；寄存器可能含有一個數據或者比較結果。分支的目標地址由16位帶符號位移量和PC值相加的結果來確定。浮點指令對浮點寄存器進行操作，并指出將被使用的操作數是單精度還是雙精度。MOVF和MOVD分別把一個單精度（MOVF）或雙精度（MOVD）浮點寄存器的值復制到另一個同類型寄存器中。MOVFP2I和MOVI2FP在單精度浮點寄存器和整數寄存器之間傳送數據。把一個雙精數據移到兩個整數寄存器中需要兩條指令。另外還有32位浮點寄存器上的整數乘除法指令和整數與浮點數之間轉換的指令。浮點操作包括加、減、乘、除。后綴F表示單精度浮點數，而后綴D表示雙精度浮點數。浮點數比較指令會設置浮點數狀態(tài)寄存器中的某一位，可以用兩條分支指令BFPTO（為真分支）和BFPF（為假分支）測試浮點數狀態(tài)寄存器來決定是否進行分支。DLX的一個不太尋常的特征是它用浮點部件來完成整數的乘除。因為對較慢的浮點數操作的控制要比控制整數的加減復雜得多，既然浮點部件已經可以處理浮點乘除，那么再讓它處理相對較慢的整數乘除也并不困難。因此，DLX要求把乘除的操作數放入浮點寄存器中。第3章 WinDLX模擬器3.1 WinDLX模擬器的安裝 WinDLX 包含windlx.exe和windlx.hlp文件。此外，還需要一些擴展名為.s的匯編代碼文件。實驗將使用fact.s 和input.s這兩個匯編代碼文件。WinDLX的安裝非常簡單，將WinDLX壓縮包解壓到一個指定的目錄，做實驗時直接雙擊WinDLX圖標就可進入Windlx模擬器。3.2 WinDLX模擬器的配置WinDLX可以在多種配置下工作?？梢愿淖兞魉€的結構和時間要求、存儲器大小和其他幾個控制模擬的參數。點擊Configuration / Floating Point Stages（點擊Configuration打開菜單，然后點擊Floating Point Stages菜單項），選擇如下標準配置：UNITCOUNTDELAYAddition Units:12Multiplication Units:15Division Units:119如果需要，可以通過點擊相應區(qū)域來改變設置。然后，點擊OK返回主窗口。點擊 Configuration/Memory Size ，可以設置模擬處理器的存儲器大小。應設置為0x8000，然后，點擊OK返回主窗口。在Configuration 菜單中的其他三個配置也可以設置，它們是：Symbolic addresses，Absolute Cycle Count和Enable Forwarding。 點擊相應菜單項后，在它的旁邊將顯示一個小鉤。3.3 WinDLX運行及模擬結果分析在開始模擬之前，至少應裝入一個程序到主存。我們選擇fact.s作為例子，fact.s計算一個整型值的階乘，它的運行還需要一個輔助文件input.s， input.s中包含一個子程序，它讀標準輸入（鍵盤）并將值存入DLX處理器的通用寄存器R1中。為此，選擇File/Load Code or Data，窗口中會列出目錄中所有匯編程序。按如下步驟操作，可將這兩個文件裝入主存。 點擊 fact.s ，點擊 select 按鈕 ，點擊 input.s ，點擊 select按鈕 ，點擊 load按。鈕選擇文件的順序很關鍵，它決定了文件在存儲器中出現的順序。對話框中會顯示信息“File(s) loaded successfully. Reset DLX?”，點擊確認按鈕。這樣，文件就已被裝入到主存儲器中了?，F在就可以開始模擬工作了。第4章 基于WinDLX模擬器的流水線模擬與分析4.1 控制相關4.1.1 實驗目的通過本實驗，加深對結構相關的理解，了解結構相關對CPU性能的影響。4.1.2 實驗內容1. 用WinDLX模擬器運行程序structure_d.s 。2. 通過模擬，找出存在結構相關的指令對以及導致結構相關的部件。3 由結構相關引起的暫停時鐘周期數，計算暫停時鐘周期數占總執(zhí)行周期數的百分比。4論述結構相關對CPU性能的影響，討論解決結構相關的方法。4.1.3 實驗原理結構相關是指因為程序的執(zhí)行方向可能被改變而引起的相關?？赡芨淖兂绦驁?zhí)行方向的指令通常有無條件轉移、一般條件轉移、復合條件轉移、子程序調用、中斷等。1 無條件轉移無條件轉移指令一般能夠在指令分析器中就執(zhí)行完成，因此一般對指令執(zhí)行部件的工作不會造成影響。2 條件轉移條件轉移指令有兩種：一般條件轉移指令和復合條件轉移指令。對于一般條件轉移指令，相關最嚴重的情況發(fā)生在條件碼是上一條指令產生的。轉移不成功對先行控制器的影響不大，而轉移成功時，不僅指令執(zhí)行過程變成了完全串行，而且要作廢已經取到先行指令緩沖棧中的大量指令，從而白白增加了處理機與主存之間的通信量。對于復合條件轉移指令，如果轉移不成功，則就象一條普通的運算型指令一樣。如果轉移成功，不僅要全部或部分作廢先行指令緩沖棧中已經預取的指令，還可能要作廢先行操作棧中的指令和先行讀數棧中的操作數，作廢當前在指令分析器中分析的指令。4.1.4 控制相關下WinDLX配置1Statistics 窗口：將待運行程序裝入主存后按F5使程序完成執(zhí)行，出現消息Trap #0 occurred 表明最后一條指令 trap 0 已經執(zhí)行， Trap指令中編號“0”沒有定義，只是用來終止程序。雙擊圖標Statistics。Statistics 窗口提供各個方面的信息：模擬中硬件配置情況、暫停及原因、條件分支、 Load/Store指令、浮點指令和traps。窗口中給出事件發(fā)生的次數和百分比。2WinDLX可以在多種配置下工作。你可以改變流水線的結構和時間要求、存儲器大小和其他幾個控制模擬的參數。點擊 Configuration / Floating Point Stages（點擊Configuration打開菜單，然后點擊Floating Point Stages菜單項），選擇如下標準配置：CountDelayAddition Units:12Multiplication Units:15Division Units:119點擊 Configuration / Memory Size ，可以設置模擬處理器的存儲器大小。應設置為0x8000，然后，點擊 OK 返回主窗口。在 Configuration 菜單中的其他三個配置也可以設置，它們是：Symbolic addresses, Absolute Cycle Count 和 Enable Forwarding。 點擊相應菜單項后， 在它的旁邊將顯示一個小鉤。4.1.5實驗過程實驗時，先將Configuration / Memory Size菜單選項中的設置按4.1.5控制相關下WinDLX的配置更改，在flie菜單中選擇really reset all windlx completely ，隨后選擇load code or data 裝入structure_d.點load。將待運行程序裝入主存后按F5使程序完成執(zhí)行，出現消息Trap