计算机系统结构试验
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现在可以开始模拟工作了。
2011年11月
秦振涛
3. 模 拟 在主窗口中，你可以看见六个图标，它们分别为 “Register”，“Code”，“Pipeline”，“Clock Cycle Diagram”，“Statistics” 和“Breakpoints”。 点击其中任何一个将弹出一个新窗口（子窗口）。在 模拟过程中将介绍每一个窗口的特性和用法。
• 1、熟悉WinDLX模拟器的操作和使用，了 解DLX指令集结构及其特点
• 2、参考书籍 • [1]李勇，计算机体系结构，国防科技大学
出版社,1998 • [2]张晨曦，WINDLX教学实验系统指导书，
高等教育出版社，2005
2011年11月
秦振涛
三、设计指标
•
1. 在不采用定向技术的情况下（通过Configuration菜单中的
九、思考题
• 1、如才能编写出高效率的程序？
2011年11月
秦振涛
实验三 结构相关
实验名称：结构相关实验 实验项目性质：验证型 所属课程名称：计算机体系结构 计划学时：2
2011年11月
秦振涛
二、预习与参考
1、熟悉WinDLX模拟器的操作和使 用，了解DLX指令集结构及其特点 2、参考书籍 [1]李勇，计算机体系结构，国防科 技大学出版社,1998 [2]张晨曦，WINDLX教学实验系统 指导书，高等教育出版社，2005
2011年11月
秦振涛
四、实验要求（设计要求）
• 1.必做实验。 • 2.针对实验内容，记录实验过程，给出分析
结果。 • 3提交实验报告，包括：实验要求中的内容，
以及简要谈谈自己对如何才能编写出高效 率的程序。
2011年11月
秦振涛
六、调试及结果测试
• 程序运行正常，运行后通过WINDLX纪录结 构相关、数据相关、控制相关程序的条数， 已经该程序的效率。
出版社,1998 • [2]张晨曦，WINDLX教学实验系统指导书，
高等教育出版社，2005
2011年11月
秦振涛
三、设计指标
• 学生在教师的指导下，根据实验的要求，实现用 WinDLX模拟器编写最大公约数程序实验：
• 1．编写求最大公约数程序gcm.s • 2．用WinDLX模拟器执行程序gcm.s 。该程序从
2011年11月
秦振涛
二、一个完整的例子 我们使用WinDLX 汇编器中的汇 编文件fact.s ，这个程序计算数 （通过键盘输入）的阶乘。这需 要用到文件input.s，它用于接收 从键盘输入的数。
2011年11月
秦振涛
1.开始和配置WinDLX
象启动任何Windows应用程序一样，通过双击 WinDLX 图标启动WinDLX，将出现一个带有六个图标的主窗口， 双击这些图标将弹出子窗口。后面将解释和介绍如何使 用每一个窗口。为了初始化模拟器, 点击File 菜单中 的 Reset all 菜单项，弹出一个“Reset DLX”对话框。 然201后1年点11月击窗口中的“确认”秦振按涛 钮即可。
现在，点击主窗口中的 Execution开始模拟。在出现的下拉式菜单中，
点击Single Cycle或按 F7键。
2011年11月
秦振涛
(3) Clock Cycle Diagram 窗口 使所有子窗口图标化，然后打开Clock Cycle Diagram 窗口。它显示流水线的时空图。
2011年11月
标准输入读入两个整数，求他们的greatest common measure，然后将结果写到标准输出。 该程序中调用了input.s中的输入子程序。 3. 给出两组数6、3和6、1 • 4．记录数据相关引数以及程序执行的总时钟周 期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百 分比。
2011年11月
秦振涛
Enable Forwarding选
项设置），用WinDLX模拟器运行程序data_d.s 。
2. 记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的总时钟周 期数，计算暂停时
钟周期数占总执行周期数的百分比。
3. 在采用定向技术的情况下，用WinDLX模拟器再次运行程序 data_d.s。
4. 记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的总时钟周 期数，计算暂停时
WinDLX可以在多种配置下工作。你可以改变流水线的结构和 时间要求、存储器大小和其他几个控制模拟的参数。点击
Configuration / Floating Point Stages（点击 Configuration打开菜单，然后点击Floating Point Stages菜 单项），选择如下标准配置：
2011年11月
秦振涛
(2) Code 窗口
我们来看一下 Code 窗口。双击图标，你将看到代表存储器内容的三栏 信息，从左到右依次为：地址 (符号或数字)、命令的十六进制机器代码和汇
编命令。
$TEXT
0x20011000
addi r1,r0,0x1000
main+0x4
0x0c00003c
jal InputUnsigned
2011年11月
秦振涛
(1) Pipeline 窗口 我们首先来看一下DLX处理器的内部结构。为此，双击图标 Pipeline，出现一个子窗口，窗口中用图表形示显示了DLX的五段流 水线。你应尽可能地扩大此窗口，以便处于不同流水段的指令都能 够在图表中显示。
此图显示DLX处理器的五个流水段和浮点操作 (加 / 减, 乘和除)的单元。
钟周期数占总执行周期数的百分比。
5. 根据上面记录的数据，计算采用定向技术后性能提高的倍数。
2011年11月
秦振涛
九、思考题
• 1、如何消除数据相关？
2011年11月
秦振涛
实验二 用WinDLX模拟器执行程序 求最大公约数
• 实验名称：用WinDLX模拟器编写最大公约 数程序实验
• 实验项目性质：验证型 • 所属课程名称：计算机体系结构 • 计划学时：2
2011年11月
秦振涛
实验二 数据相关
• 实验名称：结构相关实验 • 实验项目性质：验证型 • 所属课程名称：计算机体系结构 • 计划学时：2
2011年11月
秦振涛
一、实验目的
• 通过本实验，加深对数据相关的理解， 掌握如何使用定向技术来减少数据相关带 来的暂停。
2011年11月
秦振涛
二、预习与参考
CountDelayAddition Units:1 Multiplication Units:1 Division Units:1
2 5 19
2011年11月
Байду номын сангаас秦振涛
2. 装载测试程序 在开始模拟之前，至少应装入一个程序到主存。为此，选择File / Load Code or Data，窗口中会列出目录中所有汇编程序。 我们在前面已经提到，fact.s 计算一个整型值的阶乘； input.s中包 含一个子程序，它读标准输入（键盘）并将值存入DLX处理器的通用寄 存器R1中。按如下步骤操作，可将这两个文件装入主存。
2011年11月
秦振涛
龙芯之父胡伟武博士利用WINDLX 测试自设计的基于8086 CPU结构的
系统
2011年11月
秦振涛
一、安 装
WinDLX 包含windlx.exe和windlx.hlp文件。同时，还需要一 些扩展名为.s的汇编代码文件。 在本手册中将使用fact.s 和 input.s这两个汇编代码文件。 如果你熟悉 Windows 应用程序的安装，那么将 fact.s和 input.s 拷贝到WinDLX 文件夹后，你可以直接阅读下一部分。 请按以下步骤在Windows下安装WinDLX： 为WinDLX创建目录，例如D:\WINDLX 解压WinDLX软件包或拷贝所有的WinDLX文件（至少包含 windlx.exe, windlx.hlp, fact.s 和input.s ）到这个WinDLX 目录。
3. 用WinDLX模拟器运行调度后的程序sch-after.s ， 记录程序执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的 总时钟周期数。
4. 根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。 •
5. 论述指令调度对于提高CPU性能的意义。
2011年11月
2011年11月
秦振涛
实验报告格式及要求 学生姓名、学号、实验组号及组内编号； 实验题目； 目的要求； 仪器用具； 实验原理：简单但要抓住要点。
实验内容：应包括主要实验步骤、测量及调节方法、观察到 的现象、变化的规律以及相应的解释等。 实验结果(结论)：按实验要求处理数据，并写出结论。 讨论：对实验中存在的问题、进一步的想法等进行讨论。
2011年11月
秦振涛
九、思考题
• 1、如何消除结构相关？
2011年11月
秦振涛
九、思考题
• 1、如何消除数据相关？
2011年11月
秦振涛
实验五 指令调度（讲授20分钟）
• 实验名称：指令调度实验 • 实验项目性质：验证型 • 所属课程名称：计算机体系结构 • 计划学时：2
2011年11月
秦振涛
1、一个程序编写完成以后如何 评测它的性能？ 2、一个程序在系统中运行的时 候我们如何知道在流水线的那个 阶段，存储器的情况以及相关的 情况？
2011年11月
秦振涛
实验一 WinDLX的认识
DLX 处理器 (发音为 “DeLuXe”) WinDLX是一个基于Windows的模拟 器。 目的：本实验通过一个实例介绍 WinDLX的使用方法。WinDLX模拟器 能够演示DLX流水线是如何工作的。
2011年11月
秦振涛
三、设计指标
学生在教师的指导下，根据实验的要求，实现 用WinDLX模拟器编写最大公约数程序实验： （1）. 用WinDLX模拟器运行程序 structure_d.s 。（学生自行编写程序） （2） 通过模拟，找出存在结构相关的指令对 以及导致结构相关的部件。 （3） 记录由结构相关引起的暂停时钟周期数， 计算暂停时钟周期数占总执行周期数的 百分比。 （4） 论述结构相关对CPU性能的影响，讨论 解决结构相关的方法。
秦振涛
(4) Breakpoint 窗口 当通过Code 窗口观察代码时 (如果未打开，双击图标 Code)， 你会看到接下来的几条指令几近一样，它们都是sw-操作：将寄存 器中的数写入存储器中。重复按F7 将很枯燥，因此，我们使用断 点加快此过程。
2011年11月
秦振涛
• (5) Register 窗口
一、实验目的：
• 通过本实验，加深对指令调度的理解， 了解指令调度技术对CPU性能改进的好处。
2011年11月
秦振涛
二、预习与参考
• 1、熟悉WinDLX模拟器的操作和使用，了 解DLX指令集结构及其特点
• 2、参考书籍 • [1]李勇，计算机体系结构，国防科技大学
出版社,1998 • [2]张晨曦，WINDLX教学实验系统指导书，
2011年11月
秦振涛
• 一、实验目的
• 通过本实验，熟练掌握WinDLX模拟器的操 作和使用，清楚WinDLX五段流水线在执行 具体程序时的流水情况，熟悉DLX指令集结 构及其特点。
2011年11月
秦振涛
二、预习与参考
• 1、熟悉WinDLX模拟器的操作和使用，了 解DLX指令集结构及其特点
• 2、参考书籍 • [1]李勇，计算机体系结构，国防科技大学
点击 fact.s 点击 select 按钮 点击 input.s 点击 select按钮 点击 load按钮
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。对话 框中会显示信息“File(s) loaded successfully. Reset DLX?”，点击 “是（Y）” 按钮确认。这样，文件就已被装入到存储器中了。
2011年11月
秦振涛
Statistics 窗口
2011年11月
秦振涛
三、结束语 本实验通过一个例子介绍了WinDLX 的重要特性，使你对流水线和DLX 的操作类型有了一定的了解。当然， 你还必须学习更多的知识，才能更 深入地了解WinDLX。请参阅“帮助” （Help菜单），你将会获得所有的
细节。
高等教育出版社，2005
2011年11月
秦振涛
三、实验内容：
• 1. 通过Configuration菜单中的“Floating point stages” 选项，把除法单元数设 置为3，把加法﹑乘法﹑除法的延 迟设置为3个时钟周期。
• 2. 用WinDLX模拟器运行调度前的程序sch-before.s 。 记录程序执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的 总时钟周期数。
2011年11月
秦振涛
3. 模 拟 在主窗口中，你可以看见六个图标，它们分别为 “Register”，“Code”，“Pipeline”，“Clock Cycle Diagram”，“Statistics” 和“Breakpoints”。 点击其中任何一个将弹出一个新窗口（子窗口）。在 模拟过程中将介绍每一个窗口的特性和用法。
• 1、熟悉WinDLX模拟器的操作和使用，了 解DLX指令集结构及其特点
• 2、参考书籍 • [1]李勇，计算机体系结构，国防科技大学
出版社,1998 • [2]张晨曦，WINDLX教学实验系统指导书，
高等教育出版社，2005
2011年11月
秦振涛
三、设计指标
•
1. 在不采用定向技术的情况下（通过Configuration菜单中的
九、思考题
• 1、如才能编写出高效率的程序？
2011年11月
秦振涛
实验三 结构相关
实验名称：结构相关实验 实验项目性质：验证型 所属课程名称：计算机体系结构 计划学时：2
2011年11月
秦振涛
二、预习与参考
1、熟悉WinDLX模拟器的操作和使 用，了解DLX指令集结构及其特点 2、参考书籍 [1]李勇，计算机体系结构，国防科 技大学出版社,1998 [2]张晨曦，WINDLX教学实验系统 指导书，高等教育出版社，2005
2011年11月
秦振涛
四、实验要求（设计要求）
• 1.必做实验。 • 2.针对实验内容，记录实验过程，给出分析
结果。 • 3提交实验报告，包括：实验要求中的内容，
以及简要谈谈自己对如何才能编写出高效 率的程序。
2011年11月
秦振涛
六、调试及结果测试
• 程序运行正常，运行后通过WINDLX纪录结 构相关、数据相关、控制相关程序的条数， 已经该程序的效率。
出版社,1998 • [2]张晨曦，WINDLX教学实验系统指导书，
高等教育出版社，2005
2011年11月
秦振涛
三、设计指标
• 学生在教师的指导下，根据实验的要求，实现用 WinDLX模拟器编写最大公约数程序实验：
• 1．编写求最大公约数程序gcm.s • 2．用WinDLX模拟器执行程序gcm.s 。该程序从
2011年11月
秦振涛
二、一个完整的例子 我们使用WinDLX 汇编器中的汇 编文件fact.s ，这个程序计算数 （通过键盘输入）的阶乘。这需 要用到文件input.s，它用于接收 从键盘输入的数。
2011年11月
秦振涛
1.开始和配置WinDLX
象启动任何Windows应用程序一样，通过双击 WinDLX 图标启动WinDLX，将出现一个带有六个图标的主窗口， 双击这些图标将弹出子窗口。后面将解释和介绍如何使 用每一个窗口。为了初始化模拟器, 点击File 菜单中 的 Reset all 菜单项，弹出一个“Reset DLX”对话框。 然201后1年点11月击窗口中的“确认”秦振按涛 钮即可。
现在，点击主窗口中的 Execution开始模拟。在出现的下拉式菜单中，
点击Single Cycle或按 F7键。
2011年11月
秦振涛
(3) Clock Cycle Diagram 窗口 使所有子窗口图标化，然后打开Clock Cycle Diagram 窗口。它显示流水线的时空图。
2011年11月
标准输入读入两个整数，求他们的greatest common measure，然后将结果写到标准输出。 该程序中调用了input.s中的输入子程序。 3. 给出两组数6、3和6、1 • 4．记录数据相关引数以及程序执行的总时钟周 期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百 分比。
2011年11月
秦振涛
Enable Forwarding选
项设置），用WinDLX模拟器运行程序data_d.s 。
2. 记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的总时钟周 期数，计算暂停时
钟周期数占总执行周期数的百分比。
3. 在采用定向技术的情况下，用WinDLX模拟器再次运行程序 data_d.s。
4. 记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的总时钟周 期数，计算暂停时
WinDLX可以在多种配置下工作。你可以改变流水线的结构和 时间要求、存储器大小和其他几个控制模拟的参数。点击
Configuration / Floating Point Stages（点击 Configuration打开菜单，然后点击Floating Point Stages菜 单项），选择如下标准配置：
2011年11月
秦振涛
(2) Code 窗口
我们来看一下 Code 窗口。双击图标，你将看到代表存储器内容的三栏 信息，从左到右依次为：地址 (符号或数字)、命令的十六进制机器代码和汇
编命令。
$TEXT
0x20011000
addi r1,r0,0x1000
main+0x4
0x0c00003c
jal InputUnsigned
2011年11月
秦振涛
(1) Pipeline 窗口 我们首先来看一下DLX处理器的内部结构。为此，双击图标 Pipeline，出现一个子窗口，窗口中用图表形示显示了DLX的五段流 水线。你应尽可能地扩大此窗口，以便处于不同流水段的指令都能 够在图表中显示。
此图显示DLX处理器的五个流水段和浮点操作 (加 / 减, 乘和除)的单元。
钟周期数占总执行周期数的百分比。
5. 根据上面记录的数据，计算采用定向技术后性能提高的倍数。
2011年11月
秦振涛
九、思考题
• 1、如何消除数据相关？
2011年11月
秦振涛
实验二 用WinDLX模拟器执行程序 求最大公约数
• 实验名称：用WinDLX模拟器编写最大公约 数程序实验
• 实验项目性质：验证型 • 所属课程名称：计算机体系结构 • 计划学时：2
2011年11月
秦振涛
实验二 数据相关
• 实验名称：结构相关实验 • 实验项目性质：验证型 • 所属课程名称：计算机体系结构 • 计划学时：2
2011年11月
秦振涛
一、实验目的
• 通过本实验，加深对数据相关的理解， 掌握如何使用定向技术来减少数据相关带 来的暂停。
2011年11月
秦振涛
二、预习与参考
CountDelayAddition Units:1 Multiplication Units:1 Division Units:1
2 5 19
2011年11月
Байду номын сангаас秦振涛
2. 装载测试程序 在开始模拟之前，至少应装入一个程序到主存。为此，选择File / Load Code or Data，窗口中会列出目录中所有汇编程序。 我们在前面已经提到，fact.s 计算一个整型值的阶乘； input.s中包 含一个子程序，它读标准输入（键盘）并将值存入DLX处理器的通用寄 存器R1中。按如下步骤操作，可将这两个文件装入主存。
2011年11月
秦振涛
龙芯之父胡伟武博士利用WINDLX 测试自设计的基于8086 CPU结构的
系统
2011年11月
秦振涛
一、安 装
WinDLX 包含windlx.exe和windlx.hlp文件。同时，还需要一 些扩展名为.s的汇编代码文件。 在本手册中将使用fact.s 和 input.s这两个汇编代码文件。 如果你熟悉 Windows 应用程序的安装，那么将 fact.s和 input.s 拷贝到WinDLX 文件夹后，你可以直接阅读下一部分。 请按以下步骤在Windows下安装WinDLX： 为WinDLX创建目录，例如D:\WINDLX 解压WinDLX软件包或拷贝所有的WinDLX文件（至少包含 windlx.exe, windlx.hlp, fact.s 和input.s ）到这个WinDLX 目录。
3. 用WinDLX模拟器运行调度后的程序sch-after.s ， 记录程序执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的 总时钟周期数。
4. 根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。 •
5. 论述指令调度对于提高CPU性能的意义。
2011年11月
2011年11月
秦振涛
实验报告格式及要求 学生姓名、学号、实验组号及组内编号； 实验题目； 目的要求； 仪器用具； 实验原理：简单但要抓住要点。
实验内容：应包括主要实验步骤、测量及调节方法、观察到 的现象、变化的规律以及相应的解释等。 实验结果(结论)：按实验要求处理数据，并写出结论。 讨论：对实验中存在的问题、进一步的想法等进行讨论。
2011年11月
秦振涛
九、思考题
• 1、如何消除结构相关？
2011年11月
秦振涛
九、思考题
• 1、如何消除数据相关？
2011年11月
秦振涛
实验五 指令调度（讲授20分钟）
• 实验名称：指令调度实验 • 实验项目性质：验证型 • 所属课程名称：计算机体系结构 • 计划学时：2
2011年11月
秦振涛
1、一个程序编写完成以后如何 评测它的性能？ 2、一个程序在系统中运行的时 候我们如何知道在流水线的那个 阶段，存储器的情况以及相关的 情况？
2011年11月
秦振涛
实验一 WinDLX的认识
DLX 处理器 (发音为 “DeLuXe”) WinDLX是一个基于Windows的模拟 器。 目的：本实验通过一个实例介绍 WinDLX的使用方法。WinDLX模拟器 能够演示DLX流水线是如何工作的。
2011年11月
秦振涛
三、设计指标
学生在教师的指导下，根据实验的要求，实现 用WinDLX模拟器编写最大公约数程序实验： （1）. 用WinDLX模拟器运行程序 structure_d.s 。（学生自行编写程序） （2） 通过模拟，找出存在结构相关的指令对 以及导致结构相关的部件。 （3） 记录由结构相关引起的暂停时钟周期数， 计算暂停时钟周期数占总执行周期数的 百分比。 （4） 论述结构相关对CPU性能的影响，讨论 解决结构相关的方法。
秦振涛
(4) Breakpoint 窗口 当通过Code 窗口观察代码时 (如果未打开，双击图标 Code)， 你会看到接下来的几条指令几近一样，它们都是sw-操作：将寄存 器中的数写入存储器中。重复按F7 将很枯燥，因此，我们使用断 点加快此过程。
2011年11月
秦振涛
• (5) Register 窗口
一、实验目的：
• 通过本实验，加深对指令调度的理解， 了解指令调度技术对CPU性能改进的好处。
2011年11月
秦振涛
二、预习与参考
• 1、熟悉WinDLX模拟器的操作和使用，了 解DLX指令集结构及其特点
• 2、参考书籍 • [1]李勇，计算机体系结构，国防科技大学
出版社,1998 • [2]张晨曦，WINDLX教学实验系统指导书，
2011年11月
秦振涛
• 一、实验目的
• 通过本实验，熟练掌握WinDLX模拟器的操 作和使用，清楚WinDLX五段流水线在执行 具体程序时的流水情况，熟悉DLX指令集结 构及其特点。
2011年11月
秦振涛
二、预习与参考
• 1、熟悉WinDLX模拟器的操作和使用，了 解DLX指令集结构及其特点
• 2、参考书籍 • [1]李勇，计算机体系结构，国防科技大学
点击 fact.s 点击 select 按钮 点击 input.s 点击 select按钮 点击 load按钮
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。对话 框中会显示信息“File(s) loaded successfully. Reset DLX?”，点击 “是（Y）” 按钮确认。这样，文件就已被装入到存储器中了。
2011年11月
秦振涛
Statistics 窗口
2011年11月
秦振涛
三、结束语 本实验通过一个例子介绍了WinDLX 的重要特性，使你对流水线和DLX 的操作类型有了一定的了解。当然， 你还必须学习更多的知识，才能更 深入地了解WinDLX。请参阅“帮助” （Help菜单），你将会获得所有的
细节。
高等教育出版社，2005
2011年11月
秦振涛
三、实验内容：
• 1. 通过Configuration菜单中的“Floating point stages” 选项，把除法单元数设 置为3，把加法﹑乘法﹑除法的延 迟设置为3个时钟周期。
• 2. 用WinDLX模拟器运行调度前的程序sch-before.s 。 记录程序执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的 总时钟周期数。