實(shí)驗(yàn)一：DLX仿真器實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)一WinDLX模擬器安裝和基本操作試驗(yàn)?zāi)康牧私釽inDLX的基本功能和作用；加強(qiáng)對(duì)指令執(zhí)行細(xì)節(jié)的感性認(rèn)識(shí)；掌握該工具的基本命令和操作，為流水線實(shí)驗(yàn)作準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容下載和安裝WinDLX；觀察軟件各個(gè)觀察窗口的內(nèi)容和作用；安裝實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，掌握軟件的使用方法；課前可以先瀏覽閱讀DLX的RISC指令集。實(shí)驗(yàn)環(huán)境硬件：桌面PC軟件：Windows實(shí)驗(yàn)步驟及說明DLX處理器（發(fā)音為"DeLuXe"）是Hennessy和Patterson合著一書《ComputerArchitecture-AQuantitativeApproach》中流水線處理器的例子。WinDLX是一個(gè)基于Windows的模擬器。本教程通過一個(gè)實(shí)例介紹WinDLX的使用方法。WinDLX模擬器能夠演示DLX流水線是如何工作的。本教程使用的例子非常簡(jiǎn)單，它并沒有囊括WinDLX的各個(gè)方面，僅僅作為使用WinDLX的入門級(jí)介紹。當(dāng)你閱讀完本教程后，請(qǐng)參考幫助文件。通過按Fl鍵，你可以在任何時(shí)候獲得相關(guān)的幫助信息。雖然我們將詳細(xì)討論例子中的各個(gè)階段，但你應(yīng)具備基本的使用Windows的知識(shí)?，F(xiàn)假定你知道如何啟動(dòng)Windows，使用滾動(dòng)條滾動(dòng)，雙擊執(zhí)行以及激活窗口。一、安裝WinDLX包含windlx.exe和windlx.hlp文件。同時(shí)，還需要一些擴(kuò)展名為?s的匯編代碼文件。在本手冊(cè)中將使用fact.s和input.s這兩個(gè)匯編代碼文件。如果你熟悉Windows應(yīng)用程序的安裝,那么將fact?s和input.s拷貝到WinDLX文件夾后，你可以直接閱讀下一部分。請(qǐng)按以下步驟在Windows下安裝WinDLX：

為WinDLX創(chuàng)建目錄，例如D:\WINDLX解壓WinDLX軟件包或拷貝所有的WinDLX文件（至少包含windlx.exe,windlx.hlp,fact.s和input.s）到這個(gè)WinDLX目錄。二、一個(gè)完整的例子我們使用WinDLX匯編器中的匯編文件fact?s，這個(gè)程序計(jì)算數(shù)（通過鍵盤輸入）的階乘。這需要用到文件input?s，它用于接收從鍵盤輸入的數(shù)。1?開始和配置WinDLX象啟動(dòng)任何Windows應(yīng)用程序一樣，通過雙擊WinDLX圖標(biāo)象啟動(dòng)任何Windows應(yīng)用程序一樣，通過雙擊WinDLX圖標(biāo)啟動(dòng)WinDLX，將出現(xiàn)一個(gè)帶有六個(gè)圖標(biāo)的主窗口，雙擊這些圖標(biāo)將彈出子窗口。后面將解釋和介紹如何使用每一個(gè)窗口。為了初始化模擬器，點(diǎn)擊MZe菜單中的Resetall菜單項(xiàng)，彈出一個(gè)“ResetDLX"對(duì)話框。然后點(diǎn)擊窗口中的“確認(rèn)”按鈕即可。WinDLX可以在多種配置下工作。你可以改變流水線的結(jié)構(gòu)和時(shí)間要求、存儲(chǔ)器大小和其他幾個(gè)控制模擬的參數(shù)。點(diǎn)擊Configuration/FloatingPointStages（點(diǎn)擊Configuration打開菜單，然后點(diǎn)擊FloatingPointStages菜單項(xiàng)），選擇如下標(biāo)準(zhǔn)配置：Count DelayCount Delay如果需要，可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)區(qū)域來改變?cè)O(shè)置。然后，點(diǎn)擊OK返回主窗口。點(diǎn)擊Configuration/MemorySize，可以設(shè)置模擬處理器的存儲(chǔ)器大小。應(yīng)設(shè)置為0x8000，然后，點(diǎn)擊OK返回主窗口。在Configuration菜單中的其他三個(gè)配置也可以設(shè)置，它們是：Symbolicaddresses,AbsoluteCycleCount和EnableForwarding。點(diǎn)擊相應(yīng)菜單項(xiàng)后，在它的旁邊將顯示一個(gè)小鉤。2.裝載測(cè)試程序在開始模擬之前，至少應(yīng)裝入一個(gè)程序到主存。為此，選擇F7Ze/LoadCodeorData,窗口中會(huì)列出目錄中所有匯編程序。我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)提到，facts計(jì)算一個(gè)整型值的階乘；inputs中包含一個(gè)子程序，它讀標(biāo)準(zhǔn)輸入（鍵盤）并將值存入DLX處理器的通用寄存器R1中。按如下步驟操作，可將這兩個(gè)文件裝入主存。?點(diǎn)擊fact.s?點(diǎn)擊select按鈕?點(diǎn)擊input.s?點(diǎn)擊select按鈕?點(diǎn)擊load按鈕選擇文件的順序很關(guān)鍵，它決定了文件在存儲(chǔ)器中出現(xiàn)的順序。對(duì)話框中會(huì)顯示信息“File（s）loadedsuccessfully.ResetDLX?”，點(diǎn)擊“是（Y）"按鈕確認(rèn)。這樣，文件就已被裝入到存儲(chǔ)器中了?，F(xiàn)在可以開始模擬工作了。3.模擬在主窗口中，你可以看見六個(gè)圖標(biāo)，它們分別為“Register”，“Code”，“Pipeline”，“ClockCycleDiagran”，“Statistics”和“Breakpoints'。點(diǎn)擊其中任何一個(gè)將彈出一個(gè)新窗口（子窗口）。在模擬過程中將介紹每一個(gè)窗口的特性和用法。（1）Pipeline窗口我們首先來看一下DLX處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為此，雙擊圖^標(biāo)Pipeline，出現(xiàn)一個(gè)子窗口，窗口中用圖表形示顯示了DLX的五段流水線。你應(yīng)盡可能地?cái)U(kuò)大此窗口，以便處于不同流水段的指令都能夠在圖表中顯示。此圖顯示dlx處理器的五個(gè)流水段和浮點(diǎn)操作（加/減乘和除）的單元。(2)Code窗口我們來看一下Code窗口。雙擊圖標(biāo)，你將看到代表存儲(chǔ)器內(nèi)容的三欄信息，從左到右依次為：地址（符號(hào)或數(shù)字）、命令的十六進(jìn)制機(jī)器代碼和匯編命令。$TEXT0x20011000addir1,r0,0x1000main+0x40x0c00003cjalInputUnsigned現(xiàn)在，點(diǎn)擊主窗口中的Execution開始模擬。在出現(xiàn)的下拉式菜單中，點(diǎn)擊SingZeCycle或按F7鍵。這時(shí)，窗口中帶有地址“$TEXT”的第一行變成黃色。按下F7鍵，模擬就向前執(zhí)行一步，第一行的顏色變成橘黃色，下一行變成黃色.。這些不同顏色指明命令處于流水線的哪一段。如果Pipeline窗口已經(jīng)關(guān)閉，請(qǐng)雙擊相應(yīng)圖標(biāo)重新打開它。如果窗口足夠大，你能夠看到命令“jalInputUnsigned”在IF段，“addir1,r0,0x1000"在第二段ID。其他方框中帶有一個(gè)“X”標(biāo)志，表明沒有處理有效信息。再次按下F7鍵，代碼窗口中的顏色會(huì)再改變，紅色表明命令處入第三段“intEX”。再按下F7,圖形顯示將變?yōu)椋涸诖a窗口中，黃色出現(xiàn)在更下面的位置，并且可能是唯一彩色行。查看一下Ppeline窗口，你會(huì)發(fā)現(xiàn)IF,IntEX和MEM段正在使用而ID段沒有。為什么？(3)ClockCycleDiagram窗口使所有子窗口圖標(biāo)化，然后打開CloMCycleDiagram窗口。它顯示流水線的時(shí)空?qǐng)D。在窗口中，你將看到模擬正在第四時(shí)鐘周期，第一條命令正在MEM段，第二條命令在intEX段，第四條命令在IF段。而第三條命令指示為"aborted"。其原因是：第二條命令（jal）是無條件分支指令，但只有在第三個(gè)時(shí)鐘周期，jal指令被譯碼后才知道，這時(shí)，下一條命令movi2fp已經(jīng)取出，但需執(zhí)行的下一條命令在另一個(gè)地址處，因而，movi2fp的執(zhí)行應(yīng)被取消，在流水線中留下氣泡。jal的分支地址命名為"InputUnsigned"。為找到此符號(hào)地址的實(shí)際值，點(diǎn)擊主窗口中的臃加0口和Symbols，出現(xiàn)的子窗口中顯示相應(yīng)的符號(hào)和對(duì)應(yīng)的實(shí)際值。在"Sort："區(qū)域選定"name",使它們按名稱排序，而不是按數(shù)值排序。數(shù)字后的"G"代表全局符號(hào)，"L"代表局部符號(hào)。"input"中的"InputUnsigned"是一個(gè)全局符號(hào)，它的實(shí)際值為0x144，用作地址。點(diǎn)擊OK按紐關(guān)閉窗口。再一次點(diǎn)擊F7，第一條命令（addi）到達(dá)流水線的最后一段。如果想了解某條命令執(zhí)行后處理器內(nèi)部會(huì)發(fā)生什么？你只要對(duì)準(zhǔn)Clockcyclediagram窗口中相應(yīng)命令所在行，然后雙擊它，彈出一個(gè)新窗口。窗口中會(huì)詳細(xì)顯示每一個(gè)流水段處理器內(nèi)部的執(zhí)行動(dòng)作。這個(gè)窗口"Informationabout..."作為將來的負(fù)/0rmaio〃窗口。觀察完后，點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉窗口。雙擊第三行（movi2fp），你會(huì)看到它只執(zhí)行了第一段GF）,這是因?yàn)槌霈F(xiàn)跳轉(zhuǎn)而被取消。（雙擊Code窗口中的某一行或者Pipeline窗口中的某一段，同樣可以Information窗口。）（4）Breakpoint窗口當(dāng)通過Code窗口觀察代碼時(shí)（如果未打開，雙擊圖標(biāo)Code）,你會(huì)看到接下來的幾條指令幾近一樣，它們都是sw-操作：將寄存器中的數(shù)寫入存儲(chǔ)器中。重復(fù)按F7將很枯燥，因此，我們使用斷點(diǎn)加快此過程?，F(xiàn)在，請(qǐng)指向Code窗口中包含命令trap0x5的0x0000015c行，此命令是寫屏幕的系統(tǒng)調(diào)用。單擊命令行，然后點(diǎn)擊主窗口菜單Code,單擊SetBreakpoint（確保命令行仍被標(biāo)記！），將彈出一個(gè)新的"SetBreakpoint'窗口。通過此窗口，你可以選擇命令運(yùn)行到流水線的哪一階段時(shí)，程序停止執(zhí)行。缺省為ID段。點(diǎn)擊OK關(guān)閉窗口。在Code窗口中，trap0x5行上出現(xiàn)了"BID",它表示當(dāng)本指令在譯碼段時(shí)，程序中止執(zhí)行。如果想查看已定義的斷點(diǎn)，你只要單擊圖標(biāo)Reakpoints，將彈出一個(gè)小窗口，其中顯示了所有斷點(diǎn)。重新使窗口圖標(biāo)化。現(xiàn)在你只要點(diǎn)擊EvecMion/Run或按F5,模擬就繼續(xù)運(yùn)行。會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框提示你"ID-Stage:reachedatBreakpoint#1"，按“確認(rèn)”按鈕關(guān)閉。點(diǎn)擊Cockcyclediagram窗口中的trap0x5行，你將看到模擬正處于時(shí)鐘周期14。trap0x5行如下所示：原因是：無論何時(shí)遇到一條trap指令時(shí)，DLX處理器中的流水線將被清空。在Information窗口（雙擊trap行彈出）中，在IF段顯示消息"3stall（s）becauseofTrap-Pipeline-Clearing!"。（不要忘了按OK關(guān)閉窗口）。指令trap0x5已經(jīng)寫到屏幕上，你可以通過點(diǎn)擊主窗口菜單條上的Execute/DisplayDLXIO來查看。（5）Register窗口為進(jìn)一步模擬，點(diǎn)擊Code窗口，用箭頭鍵或鼠標(biāo)向下滾動(dòng)到地址為0x00000194的那一行（指令是lwr2,SaveR2（r0）），點(diǎn)擊此行，然后按Ins鍵，或點(diǎn)擊Code/SetBreakpoint/OK,在這一行上設(shè)置一個(gè)斷點(diǎn)。采用同樣的方法，在地址0x000001a4（指令jarr31）處設(shè)置斷點(diǎn)?，F(xiàn)在按/5繼續(xù)運(yùn)行。這時(shí)，會(huì)彈出DXStandardlO窗口，在信息"Anintegervalue>1:"后鼠標(biāo)閃爍，鍵入20然后按Enter,模擬繼續(xù)運(yùn)行到斷點(diǎn)#2處。在Clockcyclediagram窗口中，在指令之間出現(xiàn)了紅和綠的箭頭。紅色箭頭表示需要一個(gè)暫停，箭頭指向處顯示了暫停的原因。R-Stall（R-暫停）表示引起暫停的原因是RAW。綠色箭頭表示定向技術(shù)的使用?，F(xiàn)在我們來看一下寄存器中的內(nèi)容。為此，雙擊主窗口中的Register圖標(biāo)。Register窗口會(huì)顯示各個(gè)寄存器中的內(nèi)容。看一下R1到R5的值。按F5使模擬繼續(xù)運(yùn)行到下一個(gè)斷點(diǎn)處，有些值將發(fā)生改變，指令lw從主存中取數(shù)到寄存器中。如果你希望不設(shè)置斷點(diǎn)，而使模擬繼續(xù)進(jìn)行。辦法是：點(diǎn)擊Execute/MultipleCycles或者按F8鍵，在新出現(xiàn)的窗口中輸入17，然后按Enter鍵，模擬程序?qū)⒗^續(xù)運(yùn)行17個(gè)時(shí)鐘周期。向上滾動(dòng)CZockcyclediagram窗口，直到看到指令周期72到78。在EX段，兩個(gè)浮點(diǎn)操作(multdandsubd)分別在不同的部件上運(yùn)行，它們都需要多個(gè)周期才能結(jié)束。因而在它們之后的下一條指令能取指，譯碼和執(zhí)行，然后暫停一個(gè)周期以允許subd完成MEM段。⑹Statistic窗口最后我們來看一下fairtics窗口。按F5使程序完成執(zhí)行，出現(xiàn)消息"Trap#0occurred"表明最后一條指令trap0已經(jīng)執(zhí)行，Trap指令中編號(hào)“0"沒有定義，只是用來終止程序。雙擊圖標(biāo)StatisticsoStatistics窗口提供各個(gè)方面的信息：模擬中硬件配置情況、暫停及原因、條件分支、Load/Store指令、浮點(diǎn)指令和traps。窗口中給出事件發(fā)生的次數(shù)和百分比，如RAWstalls:17(7.91%ofallCycles)。在靜態(tài)窗口中我們可以比較一下不同配置對(duì)模擬的影響。現(xiàn)在我們看一看定向的作用。在前面的模擬過程中，我們采用了定向。如果不采用定向，執(zhí)行時(shí)間將會(huì)怎樣呢？我們先看一下Statistics窗口中的各種統(tǒng)計(jì)數(shù)字：總的周期數(shù)(215)和暫停數(shù)(17RAW,25Control,12Trap;54Total)，然后關(guān)閉窗口。點(diǎn)擊Configuration中的EnableForwarding使定向無效(去掉小鉤)，打開斷點(diǎn)Brea^oints圖標(biāo)并點(diǎn)擊Breakpoints菜單，刪除所