實(shí)驗(yàn)報(bào)告答案

1、實(shí)驗(yàn)2：MIPS指令系統(tǒng)和MIPS體系結(jié)構(gòu)一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解和熟悉指令級(jí)模擬器（2）熟悉掌握MIPSsim模擬器的操作和使用方法 （3）熟悉MIPS指令系統(tǒng)及其特點(diǎn)，加深對(duì)MIPS指令操作語義的理解（4）熟悉MIPS體系結(jié)構(gòu)二. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟首先要閱讀MIPSsim模擬器的使用方法，然后了解MIPSsim的指令系統(tǒng)和匯編語言。（1）、啟動(dòng)MIPSsim（用鼠標(biāo)雙擊MIPSsim.exe）。（2）、選擇“配置”-“流水方式”選項(xiàng)，使模擬器工作在非流水方式。（3）、參照使用說明，熟悉MIPSsim模擬器的操作和使用方法。 可以先載入一個(gè)樣例程序（在本模擬器所在的文件夾下的“樣例程序”文件夾中

2、），然后分別以單步執(zhí)行一條指令、執(zhí)行多條指令、連續(xù)執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)等的方式運(yùn)行程序，觀察程序的執(zhí)行情況，觀察CPU中寄存器和存儲(chǔ)器的內(nèi)容的變化。（4）、選擇“文件”-“載入程序”選項(xiàng)，加載樣例程序 alltest.asm，然后查看“代碼”窗口，查看程序所在的位置（起始地址為0x00000000）。（5）、查看“寄存器”窗口PC寄存器的值：PC=0x00000000。（6）、執(zhí)行l(wèi)oad和store指令，步驟如下： 1)單步執(zhí)行一條指令（F7）。 2)下一條指令地址為0x00000004，是一條 有 (有，無)符號(hào)載入 字節(jié) (字節(jié)，半字，字)指令。3)單步執(zhí)行一條指令（F7）。4)查看R1的值，

3、R1= 0xFFFFFFFFFFFFFF80 。5)下一條指令地址為0x00000008，是一條 有 (有，無)符號(hào)載入 字 (字節(jié)，半字，字)指令。6)單步執(zhí)行1條指令。7)查看R1的值，R1=0x0000000000000080 。 8)下一條指令地址為0x0000000C ，是一條 無 (有，無)符號(hào)載入 字節(jié) (字節(jié)，半字，字)指令。 9)單步執(zhí)行1條指令。 10)查看R1的值，R1= 0x0000000000000080 。 11)單步執(zhí)行1條指令。 12)下一條指令地址為0x00000014 ，是一條保存 字 (字節(jié)，半字，字)指令。 13）單步執(zhí)行一條指令。 14）查看內(nèi)存BUF

4、FER處字的值，值為 0x000080 (7)、執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算類指令。步驟如下： 1）雙擊“寄存器”窗口中的R1，將其值修改為2。 2）雙擊“寄存器”窗口中的R2，將其值修改為3。 3）單步執(zhí)行一條指令。 4）下一條指令地址為0x00000020 ，是一條加法指令。 5）單步執(zhí)行一條指令。 6）查看R3的值，R3= 0x0000000000000005 。 7）下一條指令地址為0x00000024 ，是一條乘法指令。 8）單步執(zhí)行一條指令。9）查看LO、HI的值，LO= 0x0000000000000006 ，HI= 0x0000000000000000。(8)、執(zhí)行邏輯運(yùn)算類指令。步驟如下：1

5、）雙擊“寄存器”窗口中的R1，將其值修改為0XFFFF0000。2）雙擊“寄存器”窗口中的R2，將其值修改為0XFF00FF00。3）單步執(zhí)行一條指令。4）下一條指令地址為0x000030，是一條邏輯與運(yùn)算指令，第二個(gè)操作數(shù)尋址方式是 寄存器直接尋址 （寄存器直接尋址，立即數(shù)尋址）。5）單步執(zhí)行一條指令。6）查看R3的值，R3= 0x00000000FF000000。7）下一條指令地址為0x00000034，是一條邏輯或指令，第二個(gè)操作數(shù)尋址方式是 立即數(shù)尋址 （寄存器直接尋址，立即數(shù)尋址）。8）單步執(zhí)行一條指令。9）查看R3的值，R3= 0x0000000000000000。(9)、執(zhí)行控制

6、轉(zhuǎn)移類指令。步驟如下： 1）雙擊“寄存器”窗口中R1，將其值修改為2。 2）雙擊“寄存器”窗口中R2，將其值修改為2。 3）單步執(zhí)行一條指令。 4）下一條指令地址為0x00000040，是一條BEQ指令,其測試條件是 兩操作數(shù)相等 ，目標(biāo)地址為0x 。 5) 單步執(zhí)行1條指令。 6) 查看PC的值，PC=0x0000004C，表明分支 成功 （成功，失敗）。 7) 一條指令是一條BGEZ指令，其測試條件是 大于等于0 ，目標(biāo)地址為0x00000058 。 8) 單步執(zhí)行1條指令。 9) 查看PC的值，PC= 0x00000058，表明分支 成功 (成功，失?。?。 10) 下一條指令是一條BGE

7、ZAL指令，其測試條件是 大于等于0 ，目標(biāo)地址為0x00000064。 11) 單步執(zhí)行1條指令。 12) 查看PC的值，PC= 0x00000064，表明分支 成功 （成功，失?。?；查看R31的值，R31=0x000000000000005C 。 13) 單步執(zhí)行1條指令。 14）查看R1的值，R1=0x0000000000000074。 15）下一條指令地址為0x00000068，是一條JALR指令，保存目標(biāo)地址的寄存器為R1 ，保存返回地址的目標(biāo)寄存器為R3 。 16）單步執(zhí)行1條指令。 17）查看PC和R3的值，PC=0x00000074，R3=0x000000000000006C。

8、實(shí)驗(yàn)3 流水線及流水線中的沖突一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（1）理解計(jì)算機(jī)流水線基本概念。（2）理解MIPS結(jié)構(gòu)如何用5段流水線來實(shí)現(xiàn)，理（3）解各段的功能和基本操作。（4）加深對(duì)數(shù)據(jù)沖突、結(jié)構(gòu)沖突的理解，理解這兩類沖突對(duì)CPU性能的影響。（5）進(jìn)一步理解解決數(shù)據(jù)沖突的方法，掌握如何應(yīng)用定向技術(shù)來減少數(shù)據(jù)沖突引起的停頓。二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟（1）、啟動(dòng)MIPSsim。（2）、根據(jù)預(yù)備知識(shí)中關(guān)于流水線各段操作的描述，進(jìn)一步理解流水線窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含義。（用鼠標(biāo)雙擊各段，就可以看到各流水寄存器的內(nèi)容）（3）、參照MIPSsim模擬器使用說明，熟悉MIPSsim模擬器的操作和使用方法。 可以先

9、載入一個(gè)樣例程序（在本模擬器所在的文件夾下的“樣例程序”文件夾中）。然后分別以單步執(zhí)行一條周期、執(zhí)行多個(gè)周期、連續(xù)執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)等的方式運(yùn)行程序，觀察程序的執(zhí)行情況，觀察CPU中寄存器和存儲(chǔ)器的內(nèi)容的變化，特別是流水寄存器內(nèi)容的變化。 (4)、選擇配置菜單中的“流水方式”選項(xiàng)，使模擬器工作于流水方式下。(5)、觀察程序在流水線中的執(zhí)行情況，步驟如下： 1）選擇MIPSsim的“文件”“載入程序”選項(xiàng)來加載pipeline.s。 2）關(guān)閉定向功能。這是通過“配置”“定向”。 3）用單步執(zhí)行一個(gè)周期的方式執(zhí)行該程序，觀察每一個(gè)周期中，各段流水寄存器內(nèi)容的變化、指令的執(zhí)行情況（“代碼”窗口）以及時(shí)鐘

10、周期圖。 4）當(dāng)執(zhí)行到第13個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，各段分別正在處理的指令是： IF: LW $r4, 60($r6) ID： ADDI $r3,$r0,25 EX： ADDI $r1,$r1,-1 MEM： ADDI $r6,$r0,8 WB： ADD $r2,$r1,$r0 畫出這時(shí)的時(shí)鐘周期圖。(6)、這時(shí)各流水寄存器中的內(nèi)容為： IF/ID.IR： 2361655356 IF/ID.NPC： 48 ID/EX.A： 0 ID/EX.B： 0 ID/EX.IR： 25 ID/EX.Imm： 537067545 EX/MEM.ALUo： 4 EX/MEM.IR： 539099135 MEM/WB.L

11、MD： 0 MEM/WB.ALUo： 8 MEM/WB.IR： 37264136 (7)、觀察和分析結(jié)構(gòu)沖突對(duì)CPU性能的影響，步驟如下： 1）加載structure_hz.s（在模擬器所在文件夾下的“樣例程序”文件夾中）。2）執(zhí)行該程序，找出存在結(jié)構(gòu)沖突的指令對(duì)以及導(dǎo)致結(jié)構(gòu)沖突的部件。根據(jù)始終周期圖可知存在結(jié)構(gòu)沖突的指令是浮點(diǎn)加法指令fadd，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)沖突的部件是浮點(diǎn)加法器 3）記錄由結(jié)構(gòu)沖突引起的停頓時(shí)鐘周期數(shù)，計(jì)算停頓時(shí)鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比?？傊芷跀?shù)為52個(gè)，結(jié)構(gòu)停頓周期數(shù)35個(gè)，占總執(zhí)行周期數(shù)的67.30769%4）把浮點(diǎn)加法器的個(gè)數(shù)改為4個(gè)。5）再次重復(fù)步驟（1）（3）的工

12、作。如上圖，可知修改后結(jié)構(gòu)沖突引起的停頓時(shí)鐘周期數(shù)為2個(gè)，占總執(zhí)行周期數(shù)的10.52632%6）分析結(jié)構(gòu)沖突對(duì)CPU性能的影響，討論解決結(jié)構(gòu)沖突的方法。結(jié)構(gòu)沖突出現(xiàn)的頻率較高，導(dǎo)致的停頓使得CPU流水的效率下降，可以通過分別設(shè)置獨(dú)立的指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的方法，或者仍只是一個(gè)存儲(chǔ)器，但采用兩個(gè)分離的Cache，即指令Cache和數(shù)據(jù)Cache(8)、 觀察數(shù)據(jù)沖突并用定向技術(shù)來減少停頓，步驟如下： 1）全部復(fù)位 2）加載data_hz.s 3）關(guān)閉定向功能。4）單步執(zhí)行一個(gè)周期，同時(shí)查看時(shí)鐘周期圖，列出在什么時(shí)刻發(fā)生了RAW（先寫后讀）沖突。發(fā)生沖突的周期是4、6、7、9、10、13、14、

13、17、18、20、21、25、26、28、29、32、33、36、37、39、40、44、45、47、48、51、52、55、56、58、595）記錄數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時(shí)鐘周期數(shù)及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)，計(jì)算停頓時(shí)鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比?？倳r(shí)鐘周期數(shù)65，其中數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時(shí)鐘周期數(shù)為31，占總周期數(shù)的47.69231%。 6）復(fù)位CPU。 7）打開定向功能。8）單步執(zhí)行一個(gè)周期，同時(shí)查看時(shí)鐘周期圖，列出在什么時(shí)刻發(fā)生了RAW（先寫后讀）沖突，并與步驟（3）的結(jié)果進(jìn)行比較。發(fā)生沖突的周期為5、10、13、18、22、25、30、34、37，共9個(gè) 9）記錄由數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時(shí)鐘周

14、期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)，計(jì)算采用定向技術(shù)后的性能是原來的幾倍。程序執(zhí)行的總周期數(shù)為43，其中數(shù)據(jù)沖突引起的停頓數(shù)為9個(gè)，采用定向技術(shù)后性能是原來的65/43=1.51倍實(shí)驗(yàn)4 指令調(diào)度和延遲分支一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）加深對(duì)指令調(diào)度技術(shù)的理解。（2）加深對(duì)延遲分支技術(shù)的理解。（3）熟練掌握用指令調(diào)度技術(shù)解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突的方法。（4）進(jìn)一步理解指令調(diào)度技術(shù)對(duì)CPU性能的改進(jìn)。（5）進(jìn)一步理解延遲分支技術(shù)對(duì)CPU性能的改進(jìn)。二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟:(1)、啟動(dòng)MIPSsim。(2)、根據(jù)前面的相關(guān)知識(shí)中關(guān)于流水線各段操作的描述，進(jìn)一步理解流水線窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含義。(3)、

15、選擇“配置”-“流水方式”選項(xiàng)，使模擬器工作于流水方式下。(4)、用指令調(diào)度技術(shù)解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突。 1）啟動(dòng)MIPSsim。 2）加載schedule.s。 3）關(guān)閉定向功能。(4)執(zhí)行所載入的程序。通過查看統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘周期圖，找出并記錄程序執(zhí)行過程中各種沖突發(fā)生的次數(shù)、發(fā)生沖突的指令組合以及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)。 由執(zhí)行結(jié)果可知，程序執(zhí)行總時(shí)鐘周期數(shù)為33。觀察程序執(zhí)行的時(shí)鐘周期圖可知，發(fā)生停頓的指令組合如下： 第1對(duì)指令組合 LW $r2,0($r1) ADD $r4,$r0,$r2 第2對(duì)指令沖突 ADD $r4,$r0,$r2 SW $r4,0($r1)第3對(duì)指令沖突SW $

16、r4,0($r1)LW $r6,4($r1)第4對(duì)指令沖突ADD $r8,$r6,$r1MUL $r12,$r10,$r1第5對(duì)指令沖突ADD $r16,$r12,$r1ADD $r18,$r16,$r1第6對(duì)指令沖突ADD $r18,$r16,$r1SW $r18,16($r1)第7對(duì)指令沖突SW $r18,16($r1)LW $r20,8($r1)第8對(duì)指令沖突MUL $r22,$r20,$r14MUL $r24,$r26,$r14 (5)采用指令調(diào)度技術(shù)對(duì)程序進(jìn)行指令調(diào)度，消除沖突。將調(diào)度后的程序存到after-schedule.s中。 (6)載入after-schedule.s。 (7

17、)執(zhí)行該程序。觀察程序在流水線中的執(zhí)行情況，記錄程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)。 由執(zhí)行結(jié)果可知，改進(jìn)后的程序執(zhí)行時(shí)鐘周期總數(shù)為17。 (8)根據(jù)記錄結(jié)果，比較調(diào)度前和調(diào)度后的性能。論述指令調(diào)度對(duì)于提高CPU性能 的作用。 很明顯，指令調(diào)度后時(shí)鐘總周期數(shù)從33降低到17，通過使用指令調(diào)度技術(shù)顯著地提高了CPU的使用率，大大減少了指令沖突的次數(shù)，對(duì)提高CPU性能有很大的作用。5、用延遲分支減少分支指令對(duì)性能的影響。（1）啟動(dòng)MIPSsim。（2）載入branch.s。（3）關(guān)閉延遲分支功能。（4）執(zhí)行該程序。觀察并記錄發(fā)生分支延遲的時(shí)刻。 發(fā)生延遲分支的時(shí)刻依次為第6、9、13、21、24、28時(shí)鐘周期。（5）記錄執(zhí)行該程序所用的總時(shí)鐘周期數(shù)。 由執(zhí)行結(jié)果可知，該程序所執(zhí)行總時(shí)鐘周期數(shù)為38，ID段執(zhí)行了18條指令。 （6）假設(shè)延遲槽有1個(gè)，對(duì)branch.s進(jìn)行指令調(diào)度，然后保存到“delayed-branch.s”中。（7）載入delaye