北邮计算机系统结构实验报告-实验一到五-WINDLX模拟器全解

北京邮电大学实验报告课程名称计算机系统结构/计算机学院 03班王陈(11)目录实验一 WINDLX模拟器安装及使用 (3)]·实验准备....................................... 错误！未定义书签。

·实验环境....................................... 错误！未定义书签。

·实验步骤....................................... 错误！未定义书签。

·实验内容及要求................................. 错误！未定义书签。

·实验过程....................................... 错误！未定义书签。

.实验总结 (8)实验二指令流水线相关性分析 (9).实验目的 (9).实验环境 (9).实验步骤 (9)·实验过程....................................... 错误！未定义书签。

、.实验总结 (16)实验三 DLX处理器程序设计 (17).实验目的 (17)·实验环境....................................... 错误！未定义书签。

·实验步骤....................................... 错误！未定义书签。

.实验过程 (17)A.向量加法代码及性能分析 (17)B.双精度浮点加法求和代码及结果分析 (22).实验总结 (27)实验四代码优化 (28).实验目的 (28)（·实验环境....................................... 错误！未定义书签。

.实验原理 (28)·实验步骤....................................... 错误！未定义书签。

.实验过程 (28).实验总结+实习体会 (33)实验五循环展开 (34).实验目的 (34)·实验环境....................................... 错误！未定义书签。

.实验原理 (34)·实验步骤....................................... 错误！未定义书签。

.实验过程 (34)[矩阵乘程序代码清单及注释说明 (34)相关性分析结果 (39)增加浮点运算部件对性能的影响 (39)增加forward部件对性能的影响 (39)转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销 (39).实验总结+实习体会+课程建议 (39)实验一 WINDLX模拟器安装及使用WinDLX模拟器的结构和功能说明1.点击运行之后，会看到一个如下图所示的窗口。

`它包括Register, Code, Pipeline, Clock Cycle Diagram, Statistics, Breakpoints。

接下来详细介模拟器的结构及各个部件的功能。

窗口介绍Rigister窗口中显示的是各个寄存器的名称及内容。

如下图：可以看到寄存器中以十六进制标识，从上图可以看出各个寄存器中的内容。

窗口介绍在没有进行任何执行的时候，初次打开code窗口，即为下图所示窗口现实的信息是各个存储器内同。

第一列标识存储器的地址；第二列是机器代码，用16进制表示；第三列是汇编指令。

当我们点击上方的，可以选择单步或多步执行（也可以使用快捷键F7或F8）。

若选择单步执行，每按一次F7，指令执行一次，可以看到，一次执行的为IF->ID->intEX->MEM->WB，没执行一次还有颜色的变化。

颜色是用来标识指令处于哪个流水段的，如下图。

~当然，我们也可以使用多步执行，按快捷键F8，选择5步流水，即可。

!窗口介绍通过阅读WinDLX模拟器说明书可以知道，Pipeline窗口显示的是DLX处理器的内部结构。

窗口用下图标识DLX五段流水。

当然，如同Code窗口介绍讲述的那样，不同的颜色显示了指令处于哪段流水线。

使用快捷键F7单步执行，可以明显的看出，不同时候流水段执行的不同指令。

如下图。

图片反映的正式与Code中所处的时刻相同的指令流水。

可以清晰看到不同流水段执行的是哪条指令。

Cycle Diagram窗口实验准备中我们已经知道，该窗口显示的是流水线的时空图。

时空图反映的是不同时隙内的运行情况。

如下图。

在我看来，时空图是最好理解的。

因为它反映的就是流水段的并行程度。

在这个DLX模拟器中，并不存在一些数据或者控制上的冲突问题。

所以可以依靠上图很清晰的看到指令所处的不同流水段，及指令执行情况。

该时空图同样也是和前面的Code等相对应。

也可以通过快捷键F7来进一步执行指令，可以看到流水线时空图的扩展情况。

任意双击指令的一行，可以详细看到不同流水段的情况。

如下图所示。

~窗口介绍该窗口是对运行程序中的数据进行分析。

主要包括模拟器中硬件配置情况，在该窗口中，我们可以比较不同配置对于该模拟器的不同影响。

如下图所示。

1）整体指令执行情况2）硬件配置情况3）暂停次数和百分比及原因分析4）分支次数和百分比5）！6）Load/Store指令执行情况7）浮点指令执行次数和百分比8）trap发生的次数和百分比窗口介绍该窗口使用来观察代码运行情况。

先打开Breakpoints窗口，点击窗口上方的来设置breakpoint，也就是设置指令运行到流水线的哪个阶段程勋停止执行。

<如上图，如果选择EX阶段，在Code窗口中相应的行会出现BEX，即指令执行到译码结束执行开始的时候，程序将中止。

·实验总结通过本次试验，由于是第一次接触DLX模拟器，该试验能够帮助我对这个模拟器大致的功能及使用做个大致的了解。

对于日后的实验打下好的基础。

我觉得WinDLX模拟器小而精悍，它有不同颜色的标记，不同寄存器及存储器的反映。

通过使用它，可以对5步流水的过程及不同阶段很清楚明白的看到。

也可以看到不同指令分析走到了哪一步，到了哪一步流水段。

》~实验二指令流水线相关性分析·实验目的通过使用WINDLX模拟器，对程序中的三种相关现象进行观察，并对使用专用通路，增加运算部件等技术对性能的影响进行考察，加深对流水线和RISC处理器的特点的理解。

·实验环境Windows XP操作系统WinDLX模拟器·实验步骤1.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。

2.考察增加浮点运算部件对性能的影响。

3.考察增加forward部件对性能的影响。

4.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。

—1.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。

1）数据相关如下图所示，在Clock Cycle Diagram窗口所想是的时空图中和Pipeline 窗口中的流图中，第一次出现了R-Stall。

接下来可以点击上图中的橘色窗口，则屏幕显示lbu r3,0×0(r2)要在WB周期写回r3中的数据；而下一条指令seqi r5,r3,0×a；要在intEX周期中读取r3中的数据。

上述过程发生了WR冲突，即写读相关。

为了避免此类冲突，seq r5,r4,0×a的intEX指令延迟了一个周期进行。

由此，相关指令为：2）控制相关由上图可以看出，在第4时钟周期：第一条指令处于MEM段；第二条命令处于intEX段；第三条指令出于aborted状态；第四条命令处于IF段。

原因分析：jal InputUnsigned是无条件分支指令，但当第三个周期开始的时候，也就是jal这条指令被译码后才知道。

此时，movi2fp已经执行，且将要执行的下一条命令在另外一个地址处，所以这条指令不会执行，这个时候就会发生控制相关。

由此，发生控制相关的指令为：3）<4）结构相关首先，我们先来看一下执行过控制相关的时空图和Pipeline，如下图。

当我们点击Pipeline中IF所对应的框框可以看到详细的该指令执行情况，如下图：上图表明了addi r2,r2,0×1的详细信息。

该指令与它前一条指令add r1,r1,r3发生了结构相关。

并且由于此处的冲突，需要暂停2个周期。

在ID段暂停后，则开始进图intEX段。

所以这条指令（addi r2,r2,0×1）你不能进入ID流水段，译码部分占用，发生了结构相关。

该部分的指令为：2.考察增加浮点运算部件对性能的影响。

该实验取N=6)首先通过，点击Floating Point Stage Configuration来设置浮点运算部件的配置。

由于实验手册上面要求Delay=4，所以我们将Delay这一栏改成4，而Count可以任意，为了对比，我们第一次浮点运算部件取全部为2，第二次浮点运算部件取全部为3。

如下图所示：运行50个cycles之后，可以看到他们数据的对比：！~*由此可见，浮点运算部件的增减对效率无影响。

比较各个数据，发现没有变化。

无论怎么增加浮点运算部件，统计结果都一样。

原因在于此程序中浮点计算指令没有重叠，所以并行度没有增加，性能没有提高。

3.考察增加forward部件对性能的影响。

为了对比有无forward部件的性能。

需要在中勾选enable forwarding，以及不勾选enable configuration来看性能数据的对比。

·不使用forward部件：《使用forward部件：#从上面的数据我们可以看出增加forwardi部件后RAW由原来占总时钟周期的26%减少至18%，RAW个数由原来的13减少至9。

增加forward部件使得控制相关比例增加了。

即，使用forward部件后，总的时钟周期减少，数据相关减少，流水线的性能得到一定的改善。

3.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。

我们假设，浮点部件设置Count=3，Delay=4;N=6。

执行完毕后，查看条件转移分支，如下图所示：由上图可知，转移指令一共8条，成功转移2条（占25%），不成功为6条。

所以，静态指令调度算法只能解决数据相关，条件转移结果与原来相比没有变化。

即，若转移不成功，对流水线的执行无影响，流水线的吞吐率和效率没有降低；若转移成功，则要废弃预先读入的指令，重新从转移成功处读入指令，执行效率会下降。

·实验总结本次试验中，主要遇见一个问题，就是在当初文件加载时没有成功，后来通过查询资料和自己的尝试，发现，在选择文件的顺序很关键，它决定了文件在存储器中出现的顺序。