计算机组成原理实验报告（精编版）

1、上海大学计算机学院计算机组成原理实验报告十三实验名称： 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

2、，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

3、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

4、，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 insfile1.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7-8 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“

5、 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 l1end4

6、 中修改的指令集：mic ：_fatch_t0 00 cbffff指令寄存器ira输出01 ffffffa输出02 ffffffa输出03 ffffffa输出04 ffffffa输出05 ffffffa输出06 ffffffa输出07 ffffffa输出08 ffffffa输出09 ffffffa输出0a ffffffa输出0b ffffffa输出0c ffffffa输出0d ffffffa输出0e ffffffa输出0f ffffffa输出a-w a,#*t2 10 c7ffef存贮器值em寄存器wpc输出a输出t1 11 fffe91 alut0 12 cbffff直通指令寄存器ir寄存器

7、 a 标志位 c,zpc输出加运算a输出13 ffffffa输出输出t1 14 ffdf9f alut0 15 cbffff直通存贮器值em用户out寄存器 wmara输出输出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irpc输出a输出跳到 *t1 18 c6ffff存贮器值em寄存器 pcpc输出a输出t0 19 cbffff指令寄存器irpc输出a输出1a ffffffa输出1b ffffff输入 a,#*t1 1c c7fff7a存贮器值em寄存器 apc输出输出a输出t2 1d cbffff指令寄存器irpc输出a输出1e ffff

8、ffa输出1f ffffffa输出mac：_fatch_000000xx 00-031000001xx 04-041000010xx 08-0b1000011xx 0c-0f1a-w a,#*000100xx 10-13 ii 2输出000101xx 14-171跳到 *000110xx 18-1b mm 2输入 a,#*000100xx 1c-1f ii 2dat ：a-w a,#*102输出141跳到 *182输入 a,#*1c25 中修改的指令集（流水系统）：mic ：_fatch_t0 00 cbffff指令寄存器ira输出01 ffffffa输出02 ffffffa输出03 ffff

9、ffa输出04 ffffffa输出05 ffffffa输出06 ffffffa输出07 ffffffa输出08 ffffffa输出09 ffffffa输出0a ffffffa输出0b ffffffa输出0c ffffffa输出0d ffffffa输出0e ffffffa输出0f ffffffa-w a,#*t2 10 c7ffef存贮器值ema寄存器 wpc输出a输出输出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irpc输出a输出13 ffffffa输出输出t1 14 cbdf9f alu直通用户outa输出15 ffffff存贮器值em寄

10、存器 wmar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irpc输出a输出跳到 *t1 18 c6ffff存贮器值em寄存器 pcpc输出a输出t0 19 cbffff指令寄存器irpc输出a输出1a ffffffa输出1b ffffffa输出输入 a,#*t1 1c c7fff7t2 1d cbffff存贮器值em指令寄存器ir寄存器 apcpc输出输出a输出a输出1e ffffffa输出1f ffffffa输出mac：_fatch_000000xx 00-031000001xx 04-041000010xx 08-0b1000011

11、xx 0c-0f1a-w a,#*000100xx 10-13 ii 2输出000101xx 14-171跳到 *000110xx 18-1b mm 2输入 a,#*000100xx 1c-1f ii 2dat ：a-w a,#*102输出141跳到 *182输入 a,#*1c2五、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