計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗報告

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗報告《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實驗報告專業(yè)班級姓名學(xué)號到主存儲器中了?，F(xiàn)在就可以開始模擬工作了。4.模擬在主窗口中，可以看見六個圖標(biāo)，它們分別為“Register”，“Code”，“Pipeline”，“ClockCycleDiagram”，“Statistics”和“Breakpoints”。點擊其中任何一個將彈出一個新窗口（子窗口）。在模擬過程中將介紹每一個窗口的特性和用法。(1)Pipeline窗口首先來看一下DLX處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。雙擊圖標(biāo)Pipeline，出現(xiàn)一個子窗口，窗口中以圖表形式顯示了DLX的五段流水線，包括取指段（IF）、譯碼段（ID）、執(zhí)行段（EX）、訪存段（MEM）和寫回段（WB）。此圖顯示DLX處理器的五個流水段和浮點操作(加/減,乘和除)的單元，如圖1-3。盡可能地擴(kuò)大此窗口，以便處于不同流水段的指令都能夠在圖表中顯示。圖1-3Pipeline窗口不同指令在執(zhí)行段的操作是不同的，而且不同操作在該段的延遲也是不同的。為此，DLX流水線的執(zhí)行段分為4個單元，它們分別是：intEX單元（整數(shù)操作），faddEX單元（浮點加減），fmulEX（浮點乘法），fdivEX（浮點除法），每個單元設(shè)置的個數(shù)和其延遲時間已經(jīng)在前面通過Configuration→FloatingPointStages進(jìn)行了設(shè)置，其中intEX的延遲為1（IF段，ID段，MEM段和WB段的延遲均為1），faddEX、fmulEX和fdivEX的延遲分別為2、5和19?？梢孕薷钠湓O(shè)置，然后再觀察程序的執(zhí)行結(jié)果，從而得到你所需要的結(jié)論。(2)Code窗口雙擊Code窗口圖標(biāo)，將看到代表存儲器內(nèi)容的三欄信息，從左到右依次為：地址(符號或數(shù)字)、命令的十六進(jìn)制機器代碼和匯編命令，如圖1-4。圖1-4Code窗口中內(nèi)容現(xiàn)在，點擊主窗口中的Execution開始模擬。在出現(xiàn)的下拉式菜單中，點擊SingleCycle或按F7鍵。這時，窗口中帶有地址“$TEXT”的第一行變成黃色。按下F7鍵，模擬就向前執(zhí)行一步，第一行的顏色變成橘黃色，下一行變成黃色。這些不同顏色指明命令處于流水線的哪一段。如果Pipeline窗口已經(jīng)關(guān)閉，請雙擊相應(yīng)圖標(biāo)重新打開它。如果窗口足夠大，你能夠看到命令“jalInputUnsigned”在IF段，“addir1,r0,0x1000”在第二段ID。其他方框中帶有一個“X”標(biāo)志，表明沒有處理有效信息。(3)ClockCycleDiagram窗口它顯示流水線的時空圖，使所有子窗口圖標(biāo)化，雙擊打開ClockCycleDiagram窗口。圖1-5流水線的時空圖在窗口中，將看到模擬正在第四時鐘周期，第一條命令正在MEM段，第二條命令在intEX段，第四條命令在IF段。而第三條命令指示為"aborted"。其原因是：第二條命令（jal）是無條件分支指令，但只有在第三個時鐘周期，jal指令被譯碼后才知道，這時，下一條命令movi2fp已經(jīng)取出，但需執(zhí)行的下一條命令在另一個地址處，因而，movi2fp的執(zhí)行應(yīng)被取消，在流水線中留下氣泡。jal的分支地址命名為"InputUnsigned"。為找到此符號地址的實際值，點擊主窗口中的Memory→Symbols，出現(xiàn)的子窗口中顯示相應(yīng)的符號和對應(yīng)的實際值。在"Sort："區(qū)域選定"name"，使它們按名稱排序，而不是按數(shù)值排序。數(shù)字后的"G"代表全局符號，"L"代表局部符號。"input"中的"InputUnsigned"是一個全局符號，它的實際值為0x144，用作地址。點擊OK按紐關(guān)閉窗口。再一次點擊F7，第一條命令（addi）到達(dá)流水線的最后一段。如果想了解某條命令執(zhí)行后處理器內(nèi)部會發(fā)生什么？只要對準(zhǔn)Clockcyclediagram窗口中相應(yīng)命令所在行，然后雙擊它，彈出一個新窗口。窗口中會詳細(xì)顯示每一個流水段處理器內(nèi)部的執(zhí)行動作。觀察完后，點擊OK按鈕關(guān)閉窗口。雙擊第三行（movi2fp），你會看到它只執(zhí)行了第一段（IF），這是因為出現(xiàn)跳轉(zhuǎn)而被取消。雙擊Code窗口中的某一行或者Pipeline窗口中的某一段，可以出現(xiàn)Information窗口。(4)Breakpoint窗口按F7鍵以單步方式運行程序，可以清楚的看到每條指令在流水線各個段的具體操作情況，除此之外，DLX模擬器還提供了其他幾種運行程序的方式。單擊主窗口中Execute子菜單，可以看到DLX模擬器共提供了4種運行程序的方式。這些運行方式為我們了解DLX流水線或調(diào)試程序提供了非常方便的環(huán)境。SingleCycle（或按F7鍵）就是單步執(zhí)行方式；MultipleCycles（或按F8鍵）是多步執(zhí)行方式，選擇該方式，會在屏幕上出現(xiàn)一個窗口，詢問周期個數(shù)，它表示流水線從當(dāng)前位置繼續(xù)向前執(zhí)行的周期個數(shù)，輸入你需要的值，然后按OK鍵，流水線就會向前執(zhí)行相應(yīng)的周期個數(shù)；Run（或按F5鍵）是運行方式，選擇該方式，流水線就會從當(dāng)前位置一直運行到程序結(jié)束；Runto（或按F4鍵）是斷點方式，選擇該方式，會在屏幕上出現(xiàn)一個窗口，要求指定某條指令的地址和流水線的某個段，表示讓流水線運行到該條指令在流水線該段的時候暫停，輸入你需要的指令，然后按OK鍵，流水線就會運行到指定的位置后停下來。激活Breakpoints子窗口，里面什么都沒有?，F(xiàn)在，請指向Code窗口中包含指令trap0x5的0x0000013c行，該指令是寫屏幕的系統(tǒng)調(diào)用。單擊指令行，然后點擊主窗口菜單Code，單擊SetBreakpoint(確保指令行仍被標(biāo)記)，將彈出一個“SetBreakpoint”窗口。通過此窗口，你可以選擇指令運行到流水線的哪一階段時，程序停止執(zhí)行。注意，在Address欄里標(biāo)記的是trap0x5指令的地址，而且是相對尋址方式。該子窗口缺省設(shè)置選擇的指令在流水線的ID段時停止程序。點擊OK關(guān)閉窗口。在Code窗口中，我們看到指令trap0x5行上出現(xiàn)了“BID”字樣，它表示當(dāng)本指令在譯碼段時，程序中止執(zhí)行。再次激活Breakpoints子窗口，就可以看到里面標(biāo)記了斷點設(shè)置的詳細(xì)情況：在什么地址，在什么段，是什么指令。根據(jù)需要，你可以設(shè)置多個斷點，Reakpoints子窗口將記錄所有斷點的設(shè)置情況。刪除斷點時，首先在Code子窗口中選中需要刪除斷點的指令行，然后點擊主窗口中的Code選項，再點擊DeleteBreakpoint選項，即可刪除斷點。點擊Execution→Run或按F5鍵，程序就會連續(xù)向前運行，直到碰到我們設(shè)置的斷點后停下來，，按OK按鈕關(guān)閉?，F(xiàn)在你可以激活任何一個子窗口，觀察你希望看到的結(jié)果，然后按F5鍵繼續(xù)運行，屏幕上會出現(xiàn)DLX-Standard–I/O對話框，要求你輸入一個整型值。輸入20后按回車鍵，程序會繼續(xù)模擬運行，直至出現(xiàn)提示框“Trap#0occurred”表明最后一條指令trap0已經(jīng)執(zhí)行，Trap指令中編號“0”沒有定義，只是用來終止程序。點擊主窗口中Execute菜單下“DisplayDLX-I/O...”選項，你會看到輸出結(jié)果（20的階乘）為2.4329e+18。點擊OK關(guān)閉窗口。(5)Register窗口雙擊Register子窗口，可以看到DLX的全部寄存器及其內(nèi)容，觀察左上角的PC寄存器，其值為0x00000100，也就是說程序會從內(nèi)存0x00000100處開始執(zhí)行。在程序執(zhí)行過程中，隨時可以點擊Register子窗口來觀察各個寄存器內(nèi)容的變化。看一下R1到R5的值。按F5使模擬繼續(xù)運行到下一個斷點處，有些值將發(fā)生改變，指令lw從主存中取數(shù)到寄存器中。(6)Statistics窗口雙擊子窗口Statistics，可以看到該窗口提供了各個方面的信息：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(shù)和百分比。利用這些數(shù)據(jù)，我們可以定量的比較各種改善流水線性能的技術(shù)對程序運行的影響情況。在靜態(tài)窗口中我們可以比較一下不同配置對模擬的影響?，F(xiàn)在我們看一看定向的作用。在前面的模擬過程中，我們采用了定向。如果不采用定向，執(zhí)行時間將會怎樣呢？我們先看一下Statistics窗口中的各種統(tǒng)計數(shù)字：總的周期數(shù)(215)和暫停數(shù)(17RAW,25Control,12Trap;54Total)，然后關(guān)閉窗口。點擊Configuration中的EnableForwarding使定向無效（去掉小鉤），打開斷點Breakpoints圖標(biāo)并點擊Breakpoints菜單，刪除所有斷點，然后按F5，鍵入20后，按Enter，模擬程序一直運行到結(jié)束。重新查看靜態(tài)窗口，你會看到控制暫停和Trap暫停仍然是同樣的值，而RAW暫停從17變成了53，總的模擬周期數(shù)增加到236。利用這些值，你能夠計算定向技術(shù)帶來的加速比：236/215=1.098DLXforwarded比DLXnotforwarded快9.8%。以上通過計算一個整型值的階乘fact.s例子介紹了WinDLX的重要特性，對流水線和DLX的操作類型有了一定的了解。如需要更深入地了解WinDLX請參閱“幫助”。實驗二流水線中的相關(guān)一、實驗?zāi)康?.進(jìn)一步了解DLX基本流水線各段的功能以及基本操作；2.加深對數(shù)據(jù)相關(guān)、結(jié)構(gòu)相關(guān)的理解，了解這兩類相關(guān)對CPU性能的影響；3.了解解決數(shù)據(jù)相關(guān)的方法，掌握如何使用定向技術(shù)來減少數(shù)據(jù)相關(guān)帶來的暫停。二、實驗平臺WinDLX模擬器三、實驗內(nèi)容和步驟1.用WinDLX運行程序structure_d.s（1）找出存在結(jié)構(gòu)相關(guān)的指令對以及導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相關(guān)的部件。（2）記錄由結(jié)構(gòu)相關(guān)引起的暫停時鐘周期數(shù)，計算暫停時鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。（3）論述結(jié)構(gòu)相關(guān)對CPU性能的影響，討論解決結(jié)構(gòu)相關(guān)的方法。（4）參考運行結(jié)果：點擊Statistics窗口，可以看到總的周期數(shù)為139，總的暫停數(shù)為42，其中數(shù)據(jù)相關(guān)暫停數(shù)為30，占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比為21.58%；控制相關(guān)暫停數(shù)為9，占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比為6.47%；中斷暫停時鐘周期數(shù)Trap

stalls為3，占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比為2.16%。2.用WinDLX運行程序data_d.s1）在不采用定向技術(shù)的情況下（去掉Configuration菜單中EnableForwarding選項前的勾選符），用WinDLX運行程序data_d.s。記錄數(shù)據(jù)相關(guān)引起的暫停時鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)，計算暫停時鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。（2）在采用定向技術(shù)的情況下（勾選EnableForwarding），用WinDLX再次運行程序data_d.s。記錄數(shù)據(jù)相關(guān)引起的暫停時鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)，計算暫停時鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。（3）根據(jù)上面記錄的數(shù)據(jù)，計算采用定向技術(shù)后性能提高的倍數(shù)。（4）參考運行結(jié)果：在不采用定向技術(shù)的情況下，運行程序。打開靜態(tài)窗口，可以看到，總的周期數(shù)為202，總的暫停數(shù)為116，其中數(shù)據(jù)相關(guān)暫停數(shù)為104，占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比為51.48%；控制相關(guān)暫停數(shù)為9，占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比為4.46%；中斷暫停時鐘周期數(shù)Trap

stalls為3，占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比為1.48%。在采用定向技術(shù)后，