哈工程体系结构试验

1、实验报告 学生姓名： 学 号： 时间： 2015年6月27日 8：0017： 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，但是能体现三个相关计算机性能等） 一、实验名称： 流水线中的相关 求最小公倍数 二、实验原理： 1、WinDLX WinDLX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

2、供了对流水线操作的统计功能，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问物理器件时，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

3、件的那条指令，从而产生控制相关。 、实验目的：(不改) 1、通过该模拟实验，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 lcm.s 做如下分析： （ 1） 分析 lcm.s 和 imput.s 输入顺序不同时产生的影响。 （2） 分析 lcm.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

4、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 Windows 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

5、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 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

6、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 input.s 的地址高，而程序顺序执行到 input.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 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 lbu r3,0 x0(r2) seqi r5,r3,0 xa bnez r5,Finish 程序中出现控制相关 sgt r3,r1,r2 bnez r3,r1Greater 程序中出现结构相关： div r6,r4,r1 div r7,r5,r1 3、源程序分析 .data ;*prompts for

7、 input Prompt1: .asciiz First Number: ；输入第一个数 Prompt2: .asciiz Second Number: ；输入第二个数 ;Data for Printf-Trap PrintfFormat: .asciiz LCM=%dnn ；输出最小公倍数 .align 2 ；表示下面采用字对齐 PrintPar: .word PrintfFormat PrintValue: .space 4 .text ; 第一代码段，默认情况下代码段 $CODE会加载到内存 0 x100 地址处 .global main ; 定义一个全局符号 main ，即该代码段的

8、首地址 main: ;*read two positive integer numbers into R1 and R2 addi r1,r0,Prompt1 第一个数加 r0 给 r1 jal InputUnsigned 调用 InputUnsigned 函数输入 R1 add r2,r1,r0 将第一个数存到 r2 addi r1,r0,Prompt2 第二个数存到 r1 jal InputUnsigned add r4,r1,r0 将 r1 的值存入 r4 add r5,r2,r0 将 r2 的值存入 r5 Loop: ;* 比较 R1和 R2 seq r3,r1,r2 ;R1=R2?

9、bnez r3,lcm ; 转到 lcm sgt r3,r1,r2 ;R1R2? bnez r3,r1Greater ; 转到 r1Great r2Greater: ;*subtract r1 from r2 sub r2,r2,r1 ;r2-r1-r2 j Loop ; 循环 r1Greater: ;*subtract r2 from r1 sub r1,r1,r2 ;r1-r2-r1 j Loop ; 循环 lcm: div r6,r4,r1 ;r4/r1-r6 div r7,r5,r1 ;r5/r1-r7 mult r8,r6,r1 ;r8=r6*r1 mult r9,r7,r8 ;r9

10、=r7*r8 result: sw PrintValue,r9 ;output the result addi r14,r0,PrintPar trap 5 trap 0 4、查看实验结果，程序执行完成后出现消息” Trap #0 occurred ”输入第一个数为 4，第 个数 5，输出最小公倍数为 20 6、使用定向技术，观察数据如下图 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： 程序的装入要严格按照顺序，顺序将影响程序的正确执行； 程序执行顺序，部件的个数都会对程序的执行产生影响； 为减少数据相关，应调整程序的执行顺序； 为减少控制相关，程序的跳转必须要在合适的位置； 为