《計算機體系結構》課程實驗教學大綱(Ⅰ)

1、計算機體系結構課程實驗教學大綱()注：同一門實驗課程若對不同專業(yè)開設的實驗項目、實驗要求不同，則大綱應不同，區(qū)分可采用題目后加（）、（）、（）的辦法編 號：課程總學時： 54 實驗學時：8課程總學分： 3 實驗學分：（非單獨設課的實驗不用填此項）先修課程：模擬電子技術、數(shù)字電子技術、數(shù)字邏輯、計算機組成原理,操作系統(tǒng),編譯原理適用專業(yè)：計算機科學與技術（嵌入式本科）、網(wǎng)絡工程（本科）、計算機科學與技術（信息技術方向本科）一、本課程實驗的主要目的與任務本課程實驗的主要目的與任務是為了配合本課程更好的深入開展和執(zhí)行，通過讓學生做一定數(shù)量的實驗，提高學生從總體結構、系統(tǒng)分析這一層次來研究和分析計算機

2、系統(tǒng)的能力，幫助學生建立整機的概念；使學生掌握計算機系統(tǒng)結構的基本概念、基本原理、基本結構、基本設計和分析方法，并對計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀有所了解。二、本課程實驗應開設項目序號實驗項目名稱學時類型必做/選做所需主要設備型號、名稱1實驗 一 MIPS指令系統(tǒng)和MIPS體系結構2驗證性必做微機1臺、 MIPSsim模擬器2實驗 二 流水線及流水線中的沖突2驗證性必做微機1臺、 MIPSsim模擬器3實驗 三 指令調度和延遲分支2驗證性必做微機1臺、 MIPSsim模擬器4實驗 四 Cache 性能分析2驗證性必做微機1臺、 MyCache模擬器注：1、類型-指驗證性、綜合性、設計性；2、該

3、表格不夠可拓展。三、各實驗項目主要實驗內容和基本要求實驗 1 MIPS指令系統(tǒng)和MIPS體系結構1. 實驗目的(1) 了解和熟悉指令級模擬器；(2) 熟練掌握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，加深對MIPS指令操作語義的理解；(4) 熟悉MIPS體系結構。2. 實驗內容 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MIPSsim（用鼠標雙擊MIPSsim.exe）。（2）選擇“配置”->“流水方式”選項，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

4、先載入一個樣例程序（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)行一條指令、執(zhí)行多條指令、連續(xù)執(zhí)行、設置斷點等的方式運行程序，觀察程序的執(zhí)行情況，觀察CPU中寄存器和存儲器的內容的變化。（4）選擇“文件”->“載入程序”選項，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0x00000100）。（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 無 （有，無）符號載入 字節(jié) （

5、字節(jié)，半字，字）指令。3）單步執(zhí)行一條指令（F5）。4）查看R1的值，R1= 0xFFFFFFFFFFFFFF80。5）下一條指令地址為0x00000008，是一條 有 （有，無）符號載入 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= 0x0080。8）下一條指令地址為0x0000000C，是一條 無 （有，無）符號載入 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= 0x0080。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（F5）。14）查看內存

6、BUFFER處字的值，值為0x00000080 。（7）執(zhí)行算術運算類指令。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= 0x0005。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= 0x0006，HI= 0x0000。（8）執(zhí)行邏輯運算類指令。步驟如下：1）雙擊“寄存器”窗口中的R1，將其值修改為0XFFFF0000。2）雙擊

7、“寄存器”窗口中的R1，將其值修改為0XFFFF0000。3）單步執(zhí)行一條指令。4）下一條指令地址為0x00000030，是一條邏輯與運算指令，第二個操作數(shù)尋址方式是（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= 0x00000000FFFF0000。7）下一條指令地址為0x00000034，是一條邏輯或指令，第二個操作數(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）。8）單步執(zhí)行一條指令。9）查看R3的值，R3= 0x0000。（9）執(zhí)行控制轉移類指令。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

8、。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_操作數(shù)相等則轉移_，目標地址為0x00000054_。 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?。?。 7) 一條指令是一條BGEZ指令，其測試條件是_大于等于0則轉移_，目標地址為0x_。 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BGEZAL指令，其測試條件是_大于等于0轉移并鏈接_，目標地址為0x_。 11) 單步執(zhí)行1條指令。 12) 查看

9、PC的值，PC= 0x00000064 _，表明分支_成功_（成功，失敗）；查看R31的值，R31= 0x0000。 13) 單步執(zhí)行1條指令。 14）查看R1的值，R1= 0x0074。 15）下一條指令地址為0x00000068，是一條JALR指令，保存目標地址的寄存器為R_，保存返回地址的目標寄存器為R_。 16）單步執(zhí)行1條指令。17）查看PC和R3的值，PC= 0x00000074，R3= 0x006C。3. 實驗要求通過本實驗應達到如下要求：(1) 對指令級模擬器有一定了解；(2) 能夠熟練使用MIPSsim模擬器；(3) 理解MIPS指令系統(tǒng)及其特點，加深對MIPS指令操作語義的

10、理解。4. 實驗器材(1) 實驗平臺采用指令級和流水線操作級模擬器MIPSsim；(2) 計算機一臺。實驗2 流水線及流水線中的沖突1. 實驗目的(1) 加深對計算機流水線基本概念的理解。(2) 理解MIPS結構如何用5段流水線來實現(xiàn)，理解各段的功能和基本操作。(3) 加深對數(shù)據(jù)沖突、結構沖突的理解，理解這兩類沖突對CPU性能的影響。(4) 進一步理解解決數(shù)據(jù)沖突的方法，掌握如何應用定向技術來減少數(shù)據(jù)沖突引起的停頓。2. 實驗內容首先要掌握MIPSsim模擬器的使用方法。（1）啟動MIPSsim。 （2）根據(jù)預備知識中關于流水線各段操作的描述，進一步理解流水線窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器

11、的含義。（用鼠標雙擊各段，就可以看到各流水寄存器的內容） （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。 可以先載入一個樣例程序（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)行多個周期、連續(xù)執(zhí)行、設置斷點等的方式運行程序，觀察程序的執(zhí)行情況，觀察CPU中寄存器和存儲器的內容的變化，特別是流水寄存器內容的變化。 （4）選擇配置菜單中的“流水方式”選項，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”選項來加載pipeline.s （在模擬器所在文

12、件夾下的“樣例程序”文件夾中）。 2）關閉定向功能。這是通過“配置”>“定向”（使該項前面沒有號）來實現(xiàn)的。 3）用單步執(zhí)行一個周期的方式（在“執(zhí)行”菜單中）或按F7鍵執(zhí)行該程序，觀察每一個周期中，各段流水寄存器內容的變化、指令的執(zhí)行情況（“代碼”窗口）以及時鐘周期圖。 4）當執(zhí)行到第13個時鐘周期時，各段分別正在處理的指令是： IF：_0030_ ID：0030 EX：002C MEM：002C WB：_ 畫出這時的時鐘周期圖。（6）這時各流水寄存器中的內容為： IF/ID.IR：CC4003C_ IF/ID.NPC：0030 ID/EX.A：0000 ID/EX.B：0000_ ID

13、/EX.Imm：0019_ ID/EX.IR：0019_ EX/MEM.ALUo：0004_ EX/MEM.IR：FFFF_ MEM/WB.LMD：0000_ MEM/WB.ALUo：0008_ MEM/WB.IR：0008_（7）觀察和分析結構沖突對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，找出存在結構沖突的指令對以及導致結構沖突的部件。 3）記錄由結構沖突引起的停頓時鐘周期數(shù)，計算停頓時鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。 4）把浮點加法器的個數(shù)改為4個。 5）再次重復步驟的工作。 6）分析結構沖突對CP

14、U性能的影響，討論解決結構沖突的方法。（8）觀察數(shù)據(jù)沖突并用定向技術來減少停頓，步驟如下： 1）全部復位。 2）加載data_hz.s（在模擬器所在的文件夾下的“樣例程序”文件夾中）。 3）關閉定向功能。這是通過“配置”->“定向”（是該項前面沒有號）來實現(xiàn)的。 4）用單步執(zhí)行一個周期的方式（F7）執(zhí)行該程序，同時查看時鐘周期圖，列出在什么時刻發(fā)生了RAW（先寫后讀）沖突。 5）記錄數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)，計算停頓時鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。 6）復位CPU 。 7）打開定向功能。這是通過“配置”->“定向”（是該項前面有號）來實現(xiàn)的。 8）用

15、單步執(zhí)行一個周期的方式（F7）執(zhí)行該程序，同時查看時鐘周期圖，列出在什么時刻發(fā)生了RAW（先寫后讀）沖突，并與步驟3的結果進行比較。 9）記錄數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)。計算采用定向技術后的性能是原來的幾倍。3. 實驗要求通過本實驗應達到如下要求：(1) 能夠加深對計算機流水線基本概念的理解。(2) 能夠理解MIPS結構如何用5段流水線來實現(xiàn)，理解各段的功能和基本操作。(3) 進一步加深對數(shù)據(jù)沖突、結構沖突的理解，理解這兩類沖突對CPU性能的影響。(4) 進一步理解解決數(shù)據(jù)沖突的方法和如何應用定向技術來減少數(shù)據(jù)沖突引起的停頓。4. 實驗器材(1) 實驗平臺采用指令級

16、和流水線操作級模擬器MIPSsim；(2) 計算機一臺。實驗3 指令調度和延遲分支1. 實驗目的(1) 加深對指令調度技術的理解。(2) 加深對延遲分支技術的理解。(3) 熟練掌握用指令調度技術解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突的方法。(4) 進一步理解指令調度技術對CPU性能的改進。(5) 進一步理解延遲分支技術對CPU性能的改進。2. 實驗內容首先要掌握MIPSsim模擬器的使用方法。（1）啟動MIPSsim。（2）根據(jù)前面的相關知識中關于流水線各段操作的描述，進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（雙擊各段，就可以看到各流水寄存器中的內容）。（3）選擇“配置”->“流水方式”

17、選項，使模擬器工作于流水方式下。（4）用指令調度技術解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突。 1）啟動MIPSsim。 2）用MIPSsim的“文件”->“載入程序”選項來加載schedule.s（在模擬器所在的文件夾下的“樣例程序”文件夾中）。 3）關閉定向功能。這是通過“配置”->“定向”（是該項前面沒有號）來實現(xiàn)的。 4）執(zhí)行所載入的程序。通過查看統(tǒng)計數(shù)據(jù)和時鐘周期圖，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)行的總時鐘周期數(shù)。 5）采用指令調度技術對程序進行指令調度，消除沖突。將調度后的程序存到after-schedule.s中。6）載入after-sched

18、ule.s。 7）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)行的總時鐘周期數(shù)。 8）根據(jù)記錄結果，比較調度前和調度后的性能。論述指令調度對于提高CPU性能的作用。（5）用延遲分支減少分支指令對性能的影響。 1）啟動MIPSsim。 2）載入branch.s。 3）關閉延遲分支功能。這是通過“配置”>“延遲槽”選項來實現(xiàn)的。 4）執(zhí)行該程序。觀察并記錄發(fā)生分支延遲的時刻。 5）記錄執(zhí)行該程序所用的總時鐘周期數(shù)。 6）假設延遲槽有1個，對branch.s進行指令調度，然后保存到“delayed-branch.s”中。 7）載入delayed-branch.s。 8）打開延遲分支功能

19、。 9）執(zhí)行該程序。觀察其時鐘周期圖。 10）記錄執(zhí)行該程序所用的總時鐘周期數(shù)。 11）對比上述兩種情況下的時鐘周期圖。 12）根據(jù)記錄結果，比較沒采用延遲分支和采用了延遲分支的性能之間的不同。論述延遲分支對于提高CPU性能的作用。3. 實驗要求通過本實驗應達到如下要求：(1) 進一步加深對指令調度技術和延遲分支技術的理解,及它們對CPU性能的影響。(2) 能夠熟練掌握用指令調度技術解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突的方法。4. 實驗器材(1) 實驗平臺采用指令級和流水線操作級模擬器MIPSsim；(2) 計算機一臺。 實驗4 Cache 性能分析1. 實驗目的(1) 加深對Cache的基本概念、基本組織

20、結構以及基本工作原理的理解。(2) 掌握Cache容量、相聯(lián)度、塊大小對Cache性能的影響。(3) 掌握降低Cache不命中率的各種方法以及這些方法對提高Cache性能的好處。(4) 理解LRU與隨機法的基本思想以及它們對Cache性能的影響。2. 實驗內容 首先掌握MyCache模擬器的使用方法。（1）Cache容量對不命中率的影響。 1）啟動MyCache。 2）用鼠標單擊“復位”按鈕，把各參數(shù)設置為默認值。 3）選擇一個地址流文件。方法：選擇“訪問地址”>“地址流文件”選項，然后單擊“瀏覽”按鈕，從本模擬器所在文件夾下的“地址流”文件夾中選取。 4）選擇不同的Cache容量，包括

21、2KB、4KB、8KB、16KB、32KB、64KB、128KB和256KB。分別執(zhí)行模擬器（單擊“執(zhí)行到底”按鈕即可執(zhí)行），然后在表7.1中記錄各種情況下的不命中率。表7.1 不容量下Cache的不命中率Cache容量(KB)248163264128256不命中率地址流文件名：_。 5）以容量為橫坐標，畫出不命中率隨Cache容量變化而變化的曲線，并指明地址流文件名。 6）根據(jù)該模擬結果，你能得出什么結論？（2）相聯(lián)度對不命中率的影響 1）用鼠標單擊“復位”按鈕，把各參數(shù)設置為默認值。此時的Cache容量為64KB。 2）選擇一個地址流文件。方法：選擇“訪問地址”>“地址流文件”選項，

22、然后單擊“瀏覽”按鈕，從本模擬器所在文件夾下的“地址流”文件夾中選取。 3）選擇不同的Cache相聯(lián)度，包括2路、4路、8路、16路和32路。分別執(zhí)行模擬器（單擊“執(zhí)行到底”按鈕即可執(zhí)行），然后在表7.2中記錄各種情況下的不命中率。表7.2 當容量為64KB時，不同相聯(lián)度下Cache的不命中率相聯(lián)度12481632不命中率地址流文件名：_。 4）把Cache的容量設置為256KB，重復3）的工作，并填寫表7.3.表7.3 當容量為256KB時，不同相聯(lián)度下Cache的不命中率相聯(lián)度12481632不命中率 5）以相聯(lián)度為橫坐標，畫出在64KB和256KB的情況下不命中率隨Cache相聯(lián)度變化而

23、變化的曲線，并指明地址流文件名。 6）根據(jù)該模擬結果，你能得出什么結論？（3）Cache塊大小對不命中率的影響1）用鼠標單擊“復位”按鈕，把各參數(shù)設置為默認值。2）選擇一個地址流文件。方法：選擇“訪問地址”>“地址流文件”選項，然后單擊“瀏覽”按鈕，從本模擬器所在文件夾下的“地址流”文件夾中選取。3）選擇不同的Cache塊大小，包括16B、32B、64B、128B和256B。對于 Cache的各種容量，包括2KB、8KB、32KB、64KB、128KB和512KB。分別執(zhí)行模擬器（單擊“執(zhí)行到底”按鈕即可執(zhí)行），然后在表7.4中記錄各種情況下的不命中率。表7.4 各種塊大小情況下Cache的不命中率塊大小(B)Cache容量(KB)2832128512163264128256地址流文件名：_。4）分析Cache塊大