计算机系统结构实验报告
计算机系统结构实验报告
3.1流水线中的相关
一、实验目的
1. 掌握WinDLX模拟器的操作和使用，熟悉DLX指令集结构及其特点；
2. 加深对计算机流水线基本概念的理解；
3. 进一步了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作；
4. 加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对CPU性能的影响；
5. 了解解决数据相关的方法，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂
停。
二、实验平台
WinDLX模拟器。
三、实验内容、步骤及实验结果
1.用WinDLX模拟器执行下列三个程序：
求阶乘程序fact.s
求最大公倍数程序gcm.s
求素数程序prim.s
分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序，观察程序在流水线中的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容。熟练掌握WinDLX的操作和使用。
结果总结：
三种方式：
步进的方式是按快捷键F7或者选择菜单栏Execute中的Single Cycle;
连续的方式是按快捷键F5或者选择Execute中的Run;
设置断点是通过选择window菜单栏中的code，然后在菜单栏中多出一项code 项，选中你想要插入的指令，在多出来的code项中找到set breakpoint，即可插入断点，然后按F5执行即可。
以fact.s为例
Pipeline图
指出了每个功能段所进行的具体指令，点击指令还可以看到指令的具体相关的其
他方面的内容。
更加直观的形式显示出了在某个时间周期某个功能段所执行的具体的指令。
Register图
指出了各个寄存器和存储器的值，如执行完了第一条加法指令之后，
R1=OX00001000。
Statistics图
指出了指令的相关分析数据，例如，执行了6个cycles,4条指令在流水线中等相关的总结信息。
执行结果图
gcm.s、prim.s类似，所以只给出运行的结果图
gcm.s结果图
Prim.s结果图
2. 用WinDLX运行程序structure_d.s，通过模拟找出存在资源相关的指令对以及导致资源相关的部件；记录由资源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；论述资源相关对CPU性能的影响，讨论解决资源相关的方法。
结果图
资源相关的指令：
addd f0,f0,f4
addd f2,f0,f2(发生先写后读的数据相关导致消除了资源相关)
由图可知是因为只有一个faddEX的运算部件，而它需要两个时钟周期，当第一条addd指令执行EX段时，第二条指令势必要等一个周期等faddEX部件空闲了才能够使用。但是，同时由于这两条指令存在先写后读数据相关，暂停一个周期之后没有了资源相关
单条指令的详细资源冲突图
因为Statistics图中的分析数据没有看见structural stall，但是根据图知道这个存在addd f2,f0,f2时的资源冲突，大概循环了6次，总共时钟周期是139个，所以资源相关引起的暂停的时钟周期的个数是6个，暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比为6/139 = 4.3%
Statistics数据分析图
资源相关降低CPU性能，并行运算的速度降低，解决资源相关的方法有停顿几个时钟周期法（针对访存冲突和设备资源冲突（轮流单个使用））或者是增加硬件设备（解决设备资源冲突）。
3. 在不采用定向技术的情况下（去掉Configuration菜单中Enable Forwarding 选项前的勾选符），用WinDLX运行程序data_d.s。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。
在采用定向技术的情况下（勾选Enable Forwarding），用WinDLX再次运行程序data_d.s。重复上述3中的工作，并计算采用定向技术后性能提高的倍数。
1、不定向技术：
总时钟周期=202 数据相关引起的暂停时钟周期=104
暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比=51.48%
2、定向技术：
总时钟周期=128 数据相关引起的暂停时钟周期=30
暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比=23.44%
定向技术的加速比 = 202/128 = 1.578
四、心得体会
通过使用WinDlX对指令模拟与分析，我们对流水线的执行过程更加熟悉，也对执行时出现的问题，如资源相关，数据相关等产生原因有了清晰的认识，进一步加深了使我们对流水线的理解。
3.2循环展开及指令调度
一、实验目的
1. 加深对循环级并行性、指令调度技术、循环展开技术以及寄存器换名技术的理解；
2. 熟悉用指令调度技术来解决流水线中的数据相关的方法；
3. 了解循环展开、指令调度等技术对CPU性能的改进。
二、实验平台
WinDLX模拟器。
三、实验内容、步骤及实验结果
1．用指令调度技术解决流水线中的结构相关与数据相关
（1）用DLX汇编语言编写代码文件*.s，程序中应包括数据相关与结构相关（假设：加法﹑乘法﹑除法部件各有2个，延迟时间都是3个时钟周期）
（2）通过Configuration菜单中的“Floating point stages”选项，把加法﹑乘法﹑除法部件的个数设置为2个，把延迟都设置为3个时钟周期；
（3）用WinDLX运行程序。记录程序执行过程中各种相关发生的次数、发生相关的指令组合，以及程序执行的总时钟周期数；
（4）采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除相关；
（5）用WinDLX运行调度后的程序，观察程序在流水线中的执行情况，记录程序执行的总时钟周期数；
（6）根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。论述指令调度对于提高CPU 性能的意义。
1)代码：
divf f2,f5,f6
divf f1,f2,f6
divf f3,f1,f5
divf f0,f4,f7
addf f14,f0,f6
addf f15,f5,f7
multf f20,f4,f6
multf f21,f5,f7
2）设置运算部件个数以及运算时钟周期数
Pipeline图
以下为出现的数据相关
先写后读相关
由于只有两个除法部件，所以出现了功能部件的冲突。总的执行周期是38
指令调度后代码：将无关指令放在一起执行，相关指令分开尽量避免数据相关divf f2,f5,f6
multf f20,f4,f6
multf f21,f5,f7
divf f1,f2,f6
addf f15,f5,f7
divf f3,f1,f5
divf f0,f4,f7
addf f14,f0,f6
Pipeline图
Statistics图
总执行时钟周期为35个。
（6）指令调度后，数据相关减少了，总时钟周期数减少了，效能提高了。调度前的时钟周期数为38，调度后的时钟周期数减少为35，加速比 = 38/35= 1.08
2. 用循环展开、寄存器换名以及指令调度提高性能
（1）用DLX汇编语言编写代码文件*.s，程序中包含一个循环次数为4的整数倍的简单循环；
（2）用WinDLX运行该程序。记录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；
（3）将循环展开3次，将4个循环体组成的代码代替原来的循环体，并对程序做相应的修改。然后对新的循环体进行寄存器换名和指令调度；
（4）用WinDLX运行修改后的程序，记录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；
（5）根据记录结果，比较循环展开、指令调度前后的性能。
带循环指令
代码：求四个1相加的和，结果存在r2中
.text
.global main
main:
addi r1,r0,#4
addi r2,r0,#0
Loop: sgt r3,r1,r0
bnez r3,Sub1
trap 0
Sub1:
addi r2,r2,#1
subi r1,r1,#1
j Loop
结果：总时钟周期是42个，5 raw stalls,循环了4次，结果r2 = 4
循环展开：
代码：
.text
.global main
main:
addi r1,r0,#4
addi r2,r0,#0
addi r2,r2,#1
subi r1,r1,#1
addi r2,r2,#1
subi r1,r1,#1
addi r2,r2,#1
subi r1,r1,#1
addi r2,r2,#1
subi r1,r1,#1
trap 0
结果：总时钟周期是15个，0 raw stalls,执行了4次，结果r2 = 4
原因对比：
是因为LOOP指令执行完后会有一个nop指令的延迟。
四、实验总结
a)指令调度技术可以明显的优化指令执行的效率，通过指令调度使得功能部件被尽可
能的充分使用，从而进一步加强指令执行的效率；
b)循环在执行时会出现不同循环次数的执行过程中出现相关，导致数量增加，通过寄
存器换名等方法，使得这种相关性数量下降。
3.3 Cache性能分析
一、实验目的
1．加深对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解；
2．了解Cache的容量、相联度、块大小对Cache性能的影响；
3．掌握降低Cache失效率的各种方法，以及这些方法对Cache性能提高的好处；
4．理解Cache失效的产生原因以及Cache的三种失效；
5．理解LRU与随机法的基本思想，及它们对Cache性能的影响；
二、实验平台
SimpleScalar模拟器。
三、实验内容及步骤
1．在基本配置情况下运行程序（请指明所选的测试程序），统计Cache总失效次数、三种不同种类的失效次数；
配置好了环境之后，用hello.c生成的a.out文件来进行模拟演示。
由图可知：Cache的总失效次数为458，容量失效和冲突失效都发生了替换总共为202，那么强制性冲突就为256。
2．改变Cache容量（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache容量对Cache性能的影响；
测试程序为test-math。
Cache参数设定举例：-cache:dl1 dl1：2:32:4:r 第一个参数为集合数，第二个参数为块的大小，第三个参数为相联度，最后一个参数为策略。改变集合数，设定块大小为32B，相联度为4路，采取LRU策略，来考虑容量对cache性能的影响。
*2：设定容量为2*32*4B时，结果如下：
*4：设定容量为4*32*4B时，结果如下：
*8：设定容量为8*32*4B时，结果如下：
*64：设定容量为64*32*4B时，结果如下：
结论：随着cache容量的增大，总失效率减小，总失效数也减少，容量失效和冲突失效数也减小，但是强制性失效数反而升高。
3．改变Cache的相联度（1路，2路，4路，8路，64路），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析相联度对Cache性能的影响；
测试程序为test-printf.参数dl1:2:32:1(2,4,8,64):l,固定其他的参数，只改变相联度的参数，观察相联度对cache性能的影响。
1路：
2路：
4路
8路：
64路：
结论：随着相联度的增大，总失效率减小，但减小的幅度减小，总失效数也减少，容量失效和冲突失效数也减小，但是强制性失效数反而升高。
4．改变Cache块大小（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache块大小对Cache性能的影响；
测试程序：test-fmath
参数：dl1:64:8(16,32,64):1:l
(块大小8B)
(块大小16B)
(块大小32B)
(块大小64B)
突失效数也减小，但是强制性失效数反而升高但到了一定程度保持稳定。
5．分别采用LRU与随机法，在不同的Cache容量、不同的相联度下，运行程序（指明所选的测试程序）统计Cache总失效次数，计算失效率。分析不同的替换算法对Cache性能的影响。
测试程序： test-lswlr
LRU:参数dl1:8:8:2:l
随机法：参数dl1:32:32:1:r
计算机体系结构实验报告二
实验二结构相关 一、实验目得: 通过本实验,加深对结构相关得理解,了解结构相关对CPU性能得影响。 二、实验内容: 1、用WinDLX模拟器运行程序structure_d、s 。 2、通过模拟,找出存在结构相关得指令对以及导致结构相关得部件。 3、记录由结构相关引起得暂停时钟周期数,计算暂停时钟周期数占总执行 周期数得百分比。 4、论述结构相关对CPU性能得影响,讨论解决结构相关得方法。 三、实验程序structure_d、s LHI R2, (A>>16)&0xFFFF 数据相关 ADDUI R2, R2, A&0xFFFF LHI R3, (B>>16)&0xFFFF ADDUI R3, R3, B&0xFFFF ADDU R4, R0, R3 loop: LD F0, 0(R2) LD F4, 0(R3) ADDD F0, F0, F4 ;浮点运算,两个周期,结构相关 ADDD F2, F0, F2 ; < A stall is found (an example of how to answer your questions) ADDI R2, R2, #8 ADDI R3, R3, #8 SUB R5, R4, R2 BNEZ R5, loop ;条件跳转 TRAP #0 ;; Exit < this is a ment !! A: 、double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 B: 、double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 四、实验过程 打开软件,load structure_d、s文件,进行单步运行。经过分析,此程序一 次循环中共有五次结构相关。(Rstall 数据相关Stall 结构相关) 1)第一个结构相关:addd f2,,f0,f2 由于前面得数据相关,导致上一条指令addd f0,f0,f4暂停在ID阶段,所以下一条指令addd f2,,f0,f2发生结构相关,导致相关得部件:译码部件。
北邮高级计算机系统结构实验二三四五
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。 ·实验原理： 指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。相关影响流水线性能。·实验步骤 一．使用WinDLX模拟器，对做如下分析： （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。 ·实验过程 一．使用WinDLX模拟器，对做如下分析： } 浮点加、乘、除部件都设置为1，浮点数运算部件的延时都设置为4，如图1： 图1 初始设置 将和加载至WinDLX中，如图2示。
图2 加载程序 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 点击F7，使程序单步执行，当出现R-Stall时停止，运行过程中出现下图3所示，输入整数6。 图3 输入整数6 @ 打开Clock Diagram，可以清楚的看到指令执行的流水线如图4所示。 图4 指令流水线 双击第一次出现R-Stall的指令行，如图5所示。
图5 指令详细信息 对以上出现的情况分析如下： 程序发生了数据相关，R-Stall（R-暂停）表示引起暂停的原因是RAW。 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 由图6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。 图 6 指令流水线 }
计算机系统结构期末考试试题及其答案
计算机科学系《计算机系统结构》期末考试试卷（A卷） 2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。 一单选题：(10分，每题1分) 1、."启动I/O"指令是主要的输入输出指令，是属于（ B ） A.目态指令 B.管态指令 C.目态、管态都能用的指令 D.编译程序只能用的指令 2、输入输出系统硬件的功能对(B )是透明的 A.操作系统程序员 B.应用程序员 C.系统结构设计人员 D.机器语言程序设计员 3、全相联地址映象是指（A） A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 B.一个虚页只装进固定的主存实页位置 C.组之间固定，组内任何虚页可装入任何实页位置 D.组间可任意装入，组内是固定装入 4、( C ) 属于MIMD系统结构 A.各处理单元同时受一个控制单元的管理 B.各处理单元同时受同个控制单元送来的指令 C.松耦合多处理机和多计算机系统 D.阵列处理机 5、多处理机上两个程序段之间若有先写后读的数据相关，则（B ） A.可以并行执行 B.不可能并行 C.任何情况均可交换串行 D.必须并行执行 6、计算机使用的语言是（B） A.专属软件范畴，与计算机体系结构无关 B.分属于计算机系统各个层次 C.属于用以建立一个用户的应用环境 D.属于符号化的机器指令 7、指令执行结果出现异常引起的中断是（C ） A.输入/输出中断 B.机器校验中断 C.程序性中断 D.外部中断 8、块冲突概率最高的Cache地址映象方式是（A ） A．直接 B．组相联 C．段相联 D．全相联 9、组相联映象、LRU替换的Cache存储器，不影响Cache命中率的是(B ) A．增大块的大小 B．增大主存容量 C．增大组的大小 D．增加Cache中的块数 10、流水处理机对全局性相关的处理不．包括（C） A.猜测法 B.提前形成条件码 C.加快短循环程序的执行 D.设置相关专用通路
计算机组织与体系结构实验报告
《计算机组织与体系结构》 实验报告 学号： XXX 姓名：XXX 班级：XXX 指导教师：XXX 时间: 2013年01月 中国矿业大学计算机学院
目录 一基本运算器实验 (2) 1、实验目的 (2) 2、实验设备 (2) 3、实验原理 (2) 4、实验步骤 (3) 5、实验结果 (5) 5、实验体会 (5) 二微程序控制实验 (6) 1、实验目的 (6) 2、实验设备 (6) 3、实验原理 (6) 4、实验步骤 (12) 5、实验体会 (13) 三CPU与简单模型机设计实验 (13) 1、实验目的 (13) 2、实验设备 (13) 3、实验原理 (13) 4、实验步骤 (18) 5、实验流图 (21) 6、实验体会 (25)
实验一基本运算器实验 1. 实验目的 (1) 了解运算器的组成结构。 (2) 掌握运算器的工作原理。 2. 实验设备 PC机一台，TD-CMA实验系统一套。 3.实验原理 本实验的原理如下图所示： 运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器B，三个部件同时接受来自A和B的数据（有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM），各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3…S0和CN来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为ALU的输出。如果是影响进位的运算，还将置进位标志FC，在运算结果输出前，置ALU零标志。ALU中所有模块集成在一片FPGA中。 逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，而后面又有专门的算术运算部件设计实验，在此对这两个部件不再赘述。移位运算采用的是桶形移位器，一般采用交叉开关矩阵来实现，交叉开关的原理如图1-1-2所示。图中显示的是一个4X4的矩阵（系统中是一个8X8的矩阵）。每一个输入都通过开关与一个输出相连，把沿对角线的开关导通，就可实现移位功能，即： (1) 对于逻辑左移或逻辑右移功能，将一条对角线的开关导通，这将所有的输入位与所使用的输出分别相连,而没有同任何输入相连的则输出连接0。 (2) 对于循环右移功能，右移对角线同互补的左移对角线一起激活。例如，在4位矩阵中使用‘右1’和‘左3’对角线来实现右循环1位。 (3) 对于未连接的输出位，移位时使用符号扩展或是0填充，具体由相应的指令控制。使用另外的逻辑进行移位总量译码和符号判别。
计算机系统结构期末考试题目
第一章： 1.计算机系统结构的定义 答：由程序设计者看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。 2.透明性概念 答：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性现象。 3.兼容性向后兼容 兼容性：同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各档机器，可获得相同的结果，差别只在于不同的运行时间。 向后兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改就能运行于在它之后投入市场的机器。 4.Amdahl定律 答：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。 5.CPI 答：每条指令的平均时钟周期数。 6.MIPS 答：每秒百万条指令数！MIPS=时钟频率/(CPI*10^6) 7.MFLOPS 答：每秒百万次浮点操作次数。MFLOPS=程序中的浮点操作次数/(执行时间*10^6) 8.命中率的概念 答： 9.Flynn分类法是按指令流和数据流的多倍性特征进行计算机系统结构的划分 答：①单指令流单数据流SISD ②单指令流多数据流SIMD ③多指令流单数据流MISD （实际不存在）④多指令流多数据流MIMD 10.计算机系统设计的定量原理（四个） 答：①加快经常性事件的速度②Amdahl定律③CPU性能公式④访问的局部性原理11.CPI和加速比的计算 答：CPI=CPU时钟周期数/IC CPU时间=CPU时钟周期数/频率 CPU时间=CPU时钟周期*时钟周期长 加速比=（采用改进措施后的性能）/（没有采用改进措施前的性能） =(没有采用改进措施前执行某任务的时间)/(采用改进措施后执行某任务的时间) 12.软硬件实现的特点 硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少 软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多 13.系统评价的标准 ①运算速度②存储器系统③其他性能④成本标准
计算机体系结构期末考试知识点与答案
体系结构复习重点.doc 1..诺依蔓计算机的特点 答：·若依曼计算机的主要特点如下： 存储程序方式。指令和数据都是以字的方式存放在同一个存储器中，没有区别，由机器状态来确定从存储器读出的字是指令或数据。 指令串行执行，并由控制器集中加以控制、 单元定长的一维线性空间的存储器 使用低级机器语言，数据以二进制形式表示。 单处理机结构，以运算器作为中心。 其实，他最大的特点就是简单易操作。 2. T（C）＝
系统结构期末考试试题及答案
得分 评分人 填空题: （20分，每题2 分） 单选题：（10分，每题1分） A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 B. 一个虚页只装进固定的主存实页位置 《计算机系统结构》期末考试试卷（A ） 得分 注：1、共100分，考试时间120分钟。 2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。 1、."启动I/O"指令是主要的输入输出指令，是属于（ A. 目态指令 B.管态指令 C.目态、管态都能用的指令 D.编译程序只能用的指令 2、 输入输出系统硬件的功能对 （B ）是透明的 A.操作系统程序员 B.应用程序员 C.系统结构设计人员 D.机器语言程序设计员 3、 全相联地址映象是指（A ） C. 组之间固定，组内任何虚页可装入任何实页位置 D.组间可任意装入，组内是固定装入 4、（ C ） 属于MIMD 系统结构 A.各处理单元同时受一个控制单元的管理 B.各处理单元同时受同个控制单元送来的指令 C.松耦合多处理机和多计算机系统 D. 阵列处理机 5、多处理机上两个程序段之间若有先写后读的数据相关，则（ B ） A.可以并行执行 B.不可能并行 C.任何情况均可交换串行 D.必须并行执行 6、 计算机使用的语言是（B ） A.专属软件范畴，与计算机体系结构无关 B.分属于计算机系统各个层次 C.属于用以建立一个用户的应用环境 D. 属于符号化的机器指令 7、 指令执行结果出现异常引起的中断是（ C ） A.输入/输出中断 B.机器校验中断 C.程序性中断 D.外部中断 &块冲突概率最高的 Cache 地址映象方式是（A ） A.直接 B .组相联 C .段相联 D .全相联 9、 组相联映象、LRU 替换的Cache 存储器，不影响 Cache 命中率的是（B ） A.增大块的大小 B .增大主存容量 C .增大组的大小 D .增加Cache 中的块数 10、 流水处理机对全局性相关的处理不 包括（C ） A.猜测法 B.提前形成条件码 C.加快短循环程序的执行 D.设置相关专用通路
计算机系统结构实验报告
计算机系统结构实验报告 一．流水线中的相关 实验目的： 1. 熟练掌握WinDLX模拟器的操作和使用，熟悉DLX指令集结构及其特点； 2. 加深对计算机流水线基本概念的理解； 3. 进一步了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作； 4. 加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对CPU性能的影响； 5. 了解解决数据相关的方法，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。 实验平台： WinDLX模拟器 实验内容和步骤： 1.用WinDLX模拟器执行下列三个程序： 求阶乘程序fact.s 求最大公倍数程序gcm.s 求素数程序prim.s 分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序，观察程序在流水线中的执行情况，观察 CPU中寄存器和存储器的内容。熟练掌握WinDLX的操作和使用。 2. 用WinDLX运行程序structure_d.s，通过模拟找出存在资源相关的指令对以及导致资源相 关的部件；记录由资源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；论述资源相关对CPU性能的影响，讨论解决资源相关的方法。 3. 在不采用定向技术的情况下（去掉Configuration菜单中Enable Forwarding选项前的勾选符），用WinDLX运行程序data_d.s。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。 在采用定向技术的情况下（勾选Enable Forwarding），用WinDLX再次运行程序data_d.s。重复上述3中的工作，并计算采用定向技术后性能提高的倍数。 1. 求阶乘程序 用WinDLX模拟器执行求阶乘程序fact.s。这个程序说明浮点指令的使用。该程序从标准 输入读入一个整数，求其阶乘，然后将结果输出。 该程序中调用了input.s中的输入子程序，这个子程序用于读入正整数。 实验结果： 在载入fact.s和input.s之后，不设置任何断点运行。 a.不采用重新定向技术，我们得到的结果
北邮计算机系统结构实验报告-实验一到五-WINDLX模拟器
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)
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计算机系统结构实验指导书-14
北京邮电大学 计算机学院 计算机系统结构实验指导书 王春露邝坚编著 2007.3 – 2013.4
目录z计算机系统结构实验简介 z DLX处理器简介 1. 实验一WINDLX模拟器安装及使用 2. 实验二指令流水线相关性分析 3. 实验三DLX处理器程序设计 4. 实验四代码优化 5. 实验五循环展开（选作）
计算机系统结构实验简介 DLX是一个虚拟处理器。该处理器是加州大学伯克利分校计算机系JohnL .H ennessy教授和斯坦福大学计算机系David A. Patterson教授在其《计算机体系结构:一种定量的方法》一书中提出的。该处理器反映了新一代处理器的特点。通过了解DLX处理器的结构和工作原理，并利用DLX模拟器进行实验，可以帮助学生综合地了解和运用有关处理器指令系统的设计、流水线的设计与实现等方面的知识，有助于计算机系统结构课程内容的理解。 DLX处理器简介 第一节 DLX基本结构 DLX是一种典型的Load/Store型指令集结构。它不仅体现了当今多种机器的指令集结构的共同特点，而且它还体现出未来一些机器的指令集结构的特点。这些机器的指令集结构设计思想都和DLX指令集结构的设计思想十分相似，它们都强调： （1） 具有一套简单的Load/Store指令集； （2） 注重指令流水效率； （3） 简化指令的译码； （4） 高效支持编译器。 DLX是一种易于学习和研究的处理器结构模型。这种类型的机器正在日趋流行，而且其结构非常易于理解。 1．DLX中的寄存器 DLX中有32个通用寄存器（GPRs），分别将其命名为R0,R1…R31。每个通用寄存器长度为32位。 另外，DLX中有32个浮点寄存器（FPRs），分别将其命名为F0,F1…F31。每个浮点寄存器长度为32位。这些浮点寄存器可以用来保存32位的单精度浮点数，或者通过相邻两个浮点寄存器奇偶对FiFi+1（i=0,2,4…,30）来保存双精度浮点数，这种组合而成的64位双精度浮点寄存器在DLX中分别被命名为F0,F2…F28,F30. 2. DLX数据类型 DLX提供了多种长度的整型数据和浮点数据。对整型数据而言，有8位，16位，32位多种长度；对浮点而言，有32位单精度浮点数和64位双精度浮点数。浮点数据表示采用的是IEEE754标准。DLX操作都是对32位整型数据及32或64位浮点数据进行的。 3．DLX的寻址方式和数据传送 DLX提供了寄存器寻址，立即寻址，偏移寻址和寄存器间接寻址四种寻址方式。寄存器寻址字段的大小为5位，用来标识32个通用寄存器或浮点寄存器。
计算机系统结构期末考试试题及其答案
计算机系统结构期末考试试题及其答案
《计算机系统结构》期末考试试卷A 卷第 2 页 共 24 页 计算机科学系《计算机系统结构》期末考试试卷（A 卷） 2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。 一 单选题：(10分，每题1分) 1、 ."启动I/O"指令是主要的输入输出指 令，是属于（ B ） A.目态指令 B.管态指令 C.目态、管态都能用的指令 D.编译程序只能用的指令 2、 输入输出系统硬件的功能对(B )是透 明的 A.操作系统程序员 B.应用程序员 C.系统结构设计人员 D.机器语言程序设计员 3、 全相联地址映象是指（A ） A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 B.一个虚页只装进固定的主存实页位置 C.组之间固定，组内任何虚页可装入任何实页位
置 D.组间可任意装入，组内是固定装入 4、( C ) 属于MIMD系统结构 A.各处理单元同时受一个控制单元的管理 B.各处理单元同时受同个控制单元送来的指令 C.松耦合多处理机和多计算机系统 D.阵列处理机 5、多处理机上两个程序段之间若有先写 后读的数据相关，则（B ） A.可以并行执行 B.不可能并行 C.任何情况均可交换串行 D.必须并行执行 6、计算机使用的语言是（B） A.专属软件范畴，与计算机体系结构无关 B.分属于计算机系统各个层次 C.属于用以建立一个用户的应用环境 D.属于符号化的机器指令 7、指令执行结果出现异常引起的中断是 （C ） A.输入/输出中断 B.机器校验中断 C.程序性中断 D.外部中断 《计算机系统结构》期末考试试卷A卷第 3 页共 24 页
计算机系统结构实验1预习报告
计算机系统结构实验 实验1：MIPS指令系统和MIPS体系结构 （预习报告） 姓名： 学号： 班级：
大连理工大学实验预习报告 学院：______________________专业:_______________________班级:_____________________ 姓名：______________________学号:_______________________ 实验时间：__________________实验室：__________________实验台：__________________ 指导老师签字：_________________________________________成绩：____________________ 实验目的： 了解熟悉MIPSsim模拟器； 熟悉MIPS指令系统及其特点； 熟悉MIPS体系结构 实验平台： 指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim 资料准备： MIPS64指令系统介绍 1.MIPS的寄存器 32个64位通用寄存器（GPRs整数寄存器）：R0-R31。R0的值永远是0。 32个64位浮点数寄存器FPRs：F0-F31。它们可以存放32个单精度浮点数（32位），也可以存放32个双精度浮点数（64位）。 MIPS提供了单精度和双精度操作的指令，而且还提供了在FPRs和GPRs之间传送数据的指令。2.MIPS的数据表示
整数：字节（8位）、半字（16位）、字（32位）和双字（64位）。 浮点数：单精度浮点数（32位）和双精度浮点数（64位）。 MIPS64的操作是针对64位整数以及32位或64位浮点数进行的。字节、半字或字在装入64位寄存器时，用零扩展或者用符号位扩展来填充该寄存器的剩余部分。装入以后，对它们按照64位整数的方式进行运算。 3.MIPS的数据寻址方式 MIPS的数据寻址方式只有立即数寻址和偏移量寻址两种，立即数字段和偏移量字段都是16位。 寄存器间接寻址是通过把0作为偏移量来实现的，16位绝对寻址是通过把R0作为基址寄存器来完成的。 MIPS的存储器是按字节寻址的，地址是64位。由于MIPS是load-store结构，寄存器和存储器之间的数据传送都是通过load指令和store指令来完成的。所有存储器访问都必须边界对齐。 4.MIPS的指令格式 指令格式简单，其中操作码6位。按不同类型的指令设置不同的格式，共有3种格式，分别对应I指令、R指令和J指令。在这3种格式中，同名字段的位置固定不变。 I类指令 包括所有的load和store指令、立即数指令、分支指令、寄存器跳转指令、寄存器链接跳转指令。其中立即数字段位16位，用于提供立即数或偏移量。 1）load指令 2）store指令 3）立即数指令 4）分支指令 5）寄存器跳转、寄存器跳转并链接
计算机体系结构期末试卷及答案
课程测试试题（ A 卷） ----------------------以下为教师填写-------------------- I、命题院（部）：信息科学与工程学院 II、课程名称：计算机体系结构 III、测试学期：2014－2015学年度第2学期 IV、测试对象：信息学院计算机、网络专业 2012 级班 V、问卷页数（A4）： 3 页 VI、答卷页数（A4）： 4 页 VII、考试方式：闭卷（开卷、闭卷或课程小论文，请填写清楚） VIII、问卷内容： 一、填空题（共30分，20空，每空分） 1、现代计算机系统是由（）和（）组成的十分复杂的系统。 2、计算机系统应能支持软件可移植，实现可移植性的常用方法有3种，即（），（）， 统一高级语言。 3、可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构进一步细分为3种类型，即（）、（） 和存储器-存储器型指令集结构。 4、MIPS指令DADDIU R14，R5，#6属于（）类型的指令格式；MIPS指令 SD R4，300（R5）属于（）类型的指令格式。 5、描述流水线的工作，常采用时空图的方法。在时空图中，横坐标表示（），纵坐 标代表（）。 6、在MIPS指令实现的简单数据通路中，在WB周期中，有两大类指令执行操作：（） 和（）指令。 7、存储器的层次结构中，“Cache－主存”层次是为了弥补主存（）的不足，“主 存－辅存”层次是为了弥补主存（）的不足。 8、Cache实现的映像规则有全相联映像、（）和（）三种。 9、反映存储外设可靠性能的参数有可靠性、（）和（）。 10、根据系统中处理器个数的多少，可把现有的MIMD计算机分为两类，每一类代表 了一种存储器的结构和互连策略。第一类机器称为（）结构，第二类机器具有（）。 二、判断题（每小题1分，共10分） 1、从计算机语言的角度，系统结构把计算机系统按功能划分成多级层次结构，其中， 第2级是操作系统虚拟机，第3级是汇编语言虚拟机。（） 2、计算机系统中提高并行性的3种途径中，资源重复是在并行性概念中引入时间因 素，加快硬件周转而赢得时间。（） 3、指令集结构中采用多种寻址方式可能会增加实现的复杂度和使用这些寻址方式的 指令的CPI。（） 4、指令条数多，通常超过200条，是设计RISC的原则之一。（） 5、根据流水线中各功能段之间是否有反馈回路，可把流水线分为线性流水线和非线 性流水线。（） 6、在多级存储体系中，“cache——主存”层次的存储管理实现主要由软件件实现。
计算机体系结构实验报告二
实验二结构相关 一、实验目的： 通过本实验，加深对结构相关的理解，了解结构相关对CPU性能的影响。 二、实验内容： 1. 用WinDLX模拟器运行程序structure_d.s 。 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。 三、实验程序structure_d.s LHI R2, (A>>16)&0xFFFF 数据相关 ADDUI R2, R2, A&0xFFFF LHI R3, (B>>16)&0xFFFF ADDUI R3, R3, B&0xFFFF ADDU R4, R0, R3 loop: LD F0, 0(R2) LD F4, 0(R3) ADDD F0, F0, F4 ；浮点运算，两个周期，结构相关 ADDD F2, F0, F2 ; <- A stall is found (an example of how to answer your questions) ADDI R2, R2, #8 ADDI R3, R3, #8 SUB R5, R4, R2 BNEZ R5, loop ；条件跳转 TRAP #0 ;; Exit <- this is a comment !! A: .double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 B: .double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
四、实验过程 打开软件，load structure_d.s文件，进行单步运行。经过分析，此程序一 次循环中共有五次结构相关。（R-stall 数据相关Stall- 结构相关） 1)第一个结构相关：addd f2,,f0,f2 由于前面的数据相关，导致上一条指令addd f0,f0,f4暂停在ID阶段，所以下一条指令addd f2,,f0,f2发生结构相关，导致相关的部件：译码部件。 2)第二个结构相关：ADDI R2, R2, #8，与第一个结构相关类似。由于数据相关， 上一条指令暂停在ID阶段，所以导致下一条指令发生结构相关。
《计算机体系结构》期末复习题标准答案
《计算机体系结构》期末复习题答案
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《计算机体系结构》期末复习题答案 系别_________ 班级_________ 姓名__________ 学号__________ 一、填空题（每空1分） 1.按照弗林（Flynn）分类法，计算机系统可以分为4类：SISD计算机、（SIMD计算机）、（MISD计算机）和（MIMD计算机）。 2. 改进之后的冯?诺依曼计算机的只要特点是存储器为中心，总线结构，分散控制。 3. 当前计算机系统中的存储系统是一个层次结构，其各层分别为：（通用寄存器，高速缓存，主存，辅存，脱机大容量存储器）。 4.高速缓冲存储器的地址映象方式有三种，它们分别是：（全向量方式，直接相联方式，组相联方式）。 5.虚拟存储器的三种管理方式是（段式管理，页式管理和段页式管理）。 6.目前计算机中常用数据有（用户定义数据，系统数据和指令数据）三种类型。 7.通常可能出现的流水线的相关性有（资源相关，数据相关和控制相关）。 8.解决中断引起的流水线断流的方法有（不精确断点法和精确断点法）。 9.目前向量处理机的系统结构有两种：（存储器－存储器型和寄存器－寄存器型）。 10.通用计算机基本指令分为5类，它们分别是：（数据传送类，运算类，程序控制类，输入输出类，处理机控制和调试类）。 11．执行指令x1=x2+x3；x4=x1-x5会引起（RAW）类型的数据相关，执行指令x5=x4*x3；x4=x0+x6会引起（W AR）类型的数据相关，执行指令x6=x1+x2；x6=x4*x5会引起（WA W）类型的数据相关。 12．多计算机网络中，通常出现的4种通信模式是（单播模式，选播模式，广播模式和会议模式）。 13.传统的冯?诺依曼计算机是以控制驱动方式工作，以数据驱动方式工作的典型计算机是（数据流计算机），以需求驱动方式工作的典型计算机是（归约机），以模式匹配驱动方式工作的典型计算机是（人工智能计算机）。 二、名词解释（每题2分） 1.计算机体系结构： 计算机系统结构就是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性，是硬件子系统的概念结构及其功能特性。 2.系列机： 所谓系列机是指同一厂家生产的具有相同的系统结构，但采取了不同的组成和实现的技术方案，形成了不同型号的多种机型。 3.模拟: 模拟是指用软件的方法在一台计算机上，实现另一台计算机的指令系统，被模拟的机器是不存在的，称为虚拟机，执行模拟程序的机器称宿主机。 4.程序的局部性原理: 程序访问局部性原理说明了计算机在程序执行过程中呈现出的一种规律，即程序往往重
大连理工大学计算机系统结构实验-实验四
大连理工大学实验报告计算机系统结构实验 实验四Cache性能分析 学院（系）：电子信息与电气工程学部专业：计算机科学与技术 学生姓名： 班级： 学号： 大连理工大学 Dalian University of Technology
实验四Cache性能分析 一、实验目的和要求 （1）加深对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解。 （2）掌握Cache容量、相联度、块大小对Cache性能的影响。 （3）掌握降低Cache不命中率的各种方法以及这些方法对提高Cache性能的好处。 （4）理解LRU与随机法的基本思想以及它们对Cache性能的影响。 二、实验步骤与操作方法 1、Cache容量对不命中率的影响。 （1）启动MyCache。 （2）用鼠标单击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。 （3）选择一个地址流文件。方法：选择“访问地址”—>“地址流文件”选项，然后单击“浏览”按钮，从本模拟器所在文件夹下的“地址流”文件夹中选取。 （4）选择不同的Cache容量，包括2KB、4KB、8KB、16KB、32KB、64KB、128KB和256KB。分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮即可执行），然后在下表中记录各种情况下的不命中率。 表不同容量下Cache的不命中率 （5）以容量为横坐标，画出不命中率随Cache容量变化而变化的曲线，并指明地址流文件名。
（6）根据该模拟结果，你能得出什么结论？ 答：随着Cache容量的增大，不命中率降低，但是降低的幅度由较大差别，Cache容 量足够大以后，不命中率降到一定程度以后，降低效果不再明显。 2．相联度对不命中率的影响 （1）用鼠标单击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。此时的Cache容量为64KB。 （2）选择一个地址流文件。 （3）选择不同的Cache相联度，包括2路、4路、8路、16路和32路。分别执行模拟器，然后在下表中记录各种情况下的不命中率。 表当容量为64KB时，不同相联度下Cache的不命中率 （4）把Cache的容量设置为256KB，重复（3）的工作，并填写下表。 表当容量为256KB时，不同相联度下Cache的不命中率 （5）以相联度为横坐标，画出在64KB和256KB的情况下不命中率随Cache相联度变化而变化的曲线，并指明地址流文件名。
计算机系统结构实验教程
实验一流水线及流水线中的冲突 实验目的 1.加深对计算机流水线基本概念的理解； 2.理解MIPS结构如何用5段流水线来实现，理解各段的功能和基本操作； 3.加深对数据冲突、结构冲突的理解，理解这两类冲突对CPU性能的影响； 4.进一步理解解决数据冲突的方法，掌握如何应用定向技术来减少数据冲突引起的停顿。 5.加深对指令调度和延迟分支技术的理解； 6.熟练掌握用指令调度技术来解决流水线中的数据冲突的方法； 7.进一步理解指令调度技术和延迟分支技术对CPU性能的改进。 实验平台 指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim， 实验内容和步骤 首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。 一、流水线及流水线中的冲突观察 1. 启动MIPSsim。 2．根据预备知识中关于流水线各段操作的描述，进一步理解流水线窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含义。（用鼠标双击各段，就可以看到各流水寄存器的内容） 3. 熟悉MIPSsim模拟器的操作和使用方法。 可以先载入一个样例程序（在本模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件夹中），然后分别以单步执行一个周期、执行多个周期、连续执行、设置断点等的方式运行程序，观察程序的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容的变化，特别是流水寄存器内容的变化。 4. 勾选配置菜单中的“流水方式”，使模拟器工作于流水方式下。 5．观察程序在流水线中的执行情况，步骤如下： (1)用MIPSsim的“文件”菜单中的“载入程序”来加载pipeline.s（在模拟器所在文 件夹下的“样例程序”文件夹中）； (2)关闭定向功能。这是通过在“配置”菜单中去选“定向”（即使得该项前面没有“√” 号）来实现的； (3)用单步执行一周期的方式（“执行”菜单中，或用F7）执行该程序，观察每一周 期中，各段流水寄存器内容的变化、指令的执行情况（代码窗口）以及时钟周期 图； (4)当执行到第10个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是： IF： ID：