實驗一：DLX仿真器實驗

實驗一WinDLX模擬器安裝和基本操作試驗目的了解WinDLX的基本功能和作用；加強對指令執(zhí)行細節(jié)的感性認識；掌握該工具的基本命令和操作，為流水線實驗作準備。實驗內容下載和安裝WinDLX；觀察軟件各個觀察窗口的內容和作用；安裝實驗步驟進行操作，掌握軟件的使用方法；課前可以先瀏覽閱讀DLX的RISC指令集。實驗環(huán)境硬件：桌面PC軟件：Windows實驗步驟及說明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是一個基于Windows的模擬器。本教程通過一個實例介紹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單，它并沒有囊括WinDLX的各個方面，僅僅作為使用WinDLX的入門級介紹。當你閱讀完本教程后，請參考幫助文件。通過按Fl鍵，你可以在任何時候獲得相關的幫助信息。雖然我們將詳細討論例子中的各個階段，但你應具備基本的使用Windows的知識?，F假定你知道如何啟動Windows，使用滾動條滾動，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，還需要一些擴展名為?s的匯編代碼文件。在本手冊中將使用fact.s和input.s這兩個匯編代碼文件。如果你熟悉Windows應用程序的安裝,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WinDLX目錄。二、一個完整的例子我們使用WinDLX匯編器中的匯編文件fact?s，這個程序計算數（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。1?開始和配置WinDLX象啟動任何Windows應用程序一樣，通過雙擊WinDLX圖標象啟動任何Windows應用程序一樣，通過雙擊WinDLX圖標啟動WinDLX，將出現一個帶有六個圖標的主窗口，雙擊這些圖標將彈出子窗口。后面將解釋和介紹如何使用每一個窗口。為了初始化模擬器，點擊MZe菜單中的Resetall菜單項，彈出一個“ResetDLX"對話框。然后點擊窗口中的“確認”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構和時間要求、存儲器大小和其他幾個控制模擬的參數。點擊Configuration/FloatingPointStages（點擊Configuration打開菜單，然后點擊FloatingPointStages菜單項），選擇如下標準配置：Count DelayCount Delay如果需要，可以通過點擊相應區(qū)域來改變設置。然后，點擊OK返回主窗口。點擊Configuration/MemorySize，可以設置模擬處理器的存儲器大小。應設置為0x8000，然后，點擊OK返回主窗口。在Configuration菜單中的其他三個配置也可以設置，它們是：Symbolicaddresses,AbsoluteCycleCount和EnableForwarding。點擊相應菜單項后，在它的旁邊將顯示一個小鉤。2.裝載測試程序在開始模擬之前，至少應裝入一個程序到主存。為此，選擇F7Ze/LoadCodeorData,窗口中會列出目錄中所有匯編程序。我們在前面已經提到，facts計算一個整型值的階乘；inputs中包含一個子程序，它讀標準輸入（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，可將這兩個文件裝入主存。?點擊fact.s?點擊select按鈕?點擊input.s?點擊select按鈕?點擊load按鈕選擇文件的順序很關鍵，它決定了文件在存儲器中出現的順序。對話框中會顯示信息“File（s）loadedsuccessfully.ResetDLX?”，點擊“是（Y）"按鈕確認。這樣，文件就已被裝入到存儲器中了。現在可以開始模擬工作了。3.模擬在主窗口中，你可以看見六個圖標，它們分別為“Register”，“Code”，“Pipeline”，“ClockCycleDiagran”，“Statistics”和“Breakpoints'。點擊其中任何一個將彈出一個新窗口（子窗口）。在模擬過程中將介紹每一個窗口的特性和用法。（1）Pipeline窗口我們首先來看一下DLX處理器的內部結構。為此，雙擊圖^標Pipeline，出現一個子窗口，窗口中用圖表形示顯示了DLX的五段流水線。你應盡可能地擴大此窗口，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處理器的五個流水段和浮點操作（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，你將看到代表存儲器內容的三欄信息，從左到右依次為：地址（符號或數字）、命令的十六進制機器代碼和匯編命令。$TEXT0x20011000addir1,r0,0x1000main+0x40x0c00003cjalInputUnsigned現在，點擊主窗口中的Execution開始模擬。在出現的下拉式菜單中，點擊SingZeCycle或按F7鍵。這時，窗口中帶有地址“$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窗口已經關閉，請雙擊相應圖標重新打開它。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“X”標志，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，你會發(fā)現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化，然后打開CloMCycleDiagram窗口。它顯示流水線的時空圖。在窗口中，你將看到模擬正在第四時鐘周期，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，但只有在第三個時鐘周期，jal指令被譯碼后才知道，這時，下一條命令movi2fp已經取出，但需執(zhí)行的下一條命令在另一個地址處，因而，movi2fp的執(zhí)行應被取消，在流水線中留下氣泡。jal的分支地址命名為"InputUnsigned"。為找到此符號地址的實際值，點擊主窗口中的臃加0口和Symbols，出現的子窗口中顯示相應的符號和對應的實際值。在"Sort："區(qū)域選定"name",使它們按名稱排序，而不是按數值排序。數字后的"G"代表全局符號，"L"代表局部符號。"input"中的"InputUnsigned"是一個全局符號，它的實際值為0x144，用作地址。點擊OK按紐關閉窗口。再一次點擊F7，第一條命令（addi）到達流水線的最后一段。如果想了解某條命令執(zhí)行后處理器內部會發(fā)生什么？你只要對準Clockcyclediagram窗口中相應命令所在行，然后雙擊它，彈出一個新窗口。窗口中會詳細顯示每一個流水段處理器內部的執(zhí)行動作。這個窗口"Informationabout..."作為將來的負/0rmaio〃窗口。觀察完后，點擊OK按鈕關閉窗口。雙擊第三行（movi2fp），你會看到它只執(zhí)行了第一段GF）,這是因為出現跳轉而被取消。（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窗口當通過Code窗口觀察代碼時（如果未打開，雙擊圖標Code）,你會看到接下來的幾條指令幾近一樣，它們都是sw-操作：將寄存器中的數寫入存儲器中。重復按F7將很枯燥，因此，我們使用斷點加快此過程。現在，請指向Code窗口中包含命令trap0x5的0x0000015c行，此命令是寫屏幕的系統(tǒng)調用。單擊命令行，然后點擊主窗口菜單Code,單擊SetBreakpoint（確保命令行仍被標記！），將彈出一個新的"SetBreakpoint'窗口。通過此窗口，你可以選擇命令運行到流水線的哪一階段時，程序停止執(zhí)行。缺省為ID段。點擊OK關閉窗口。在Code窗口中，trap0x5行上出現了"BID",它表示當本指令在譯碼段時，程序中止執(zhí)行。如果想查看已定義的斷點，你只要單擊圖標Reakpoints，將彈出一個小窗口，其中顯示了所有斷點。重新使窗口圖標化?，F在你只要點擊EvecMion/Run或按F5,模擬就繼續(xù)運行。會出現一個對話框提示你"ID-Stage:reachedatBreakpoint#1"，按“確認”按鈕關閉。點擊Cockcyclediagram窗口中的trap0x5行，你將看到模擬正處于時鐘周期14。trap0x5行如下所示：原因是：無論何時遇到一條trap指令時，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關閉窗口）。指令trap0x5已經寫到屏幕上，你可以通過點擊主窗口菜單條上的Execute/DisplayDLXIO來查看。（5）Register窗口為進一步模擬，點擊Code窗口，用箭頭鍵或鼠標向下滾動到地址為0x00000194的那一行（指令是lwr2,SaveR2（r0）），點擊此行，然后按Ins鍵，或點擊Code/SetBreakpoint/OK,在這一行上設置一個斷點。采用同樣的方法，在地址0x000001a4（指令jarr31）處設置斷點?，F在按/5繼續(xù)運行。這時，會彈出DXStandardlO窗口，在信息"Anintegervalue>1:"后鼠標閃爍，鍵入20然后按Enter,模擬繼續(xù)運行到斷點#2處。在Clockcyclediagram窗口中，在指令之間出現了紅和綠的箭頭。紅色箭頭表示需要一個暫停，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的使用?，F在我們來看一下寄存器中的內容。為此，雙擊主窗口中的Register圖標。Register窗口會顯示各個寄存器中的內容。看一下R1到R5的值。按F5使模擬繼續(xù)運行到下一個斷點處，有些值將發(fā)生改變，指令lw從主存中取數到寄存器中。如果你希望不設置斷點，而使模擬繼續(xù)進行。辦法是：點擊Execute/MultipleCycles或者按F8鍵，在新出現的窗口中輸入17，然后按Enter鍵，模擬程序將繼續(xù)運行17個時鐘周期。向上滾動CZockcyclediagram窗口，直到看到指令周期72到78。在EX段，兩個浮點操作(multdandsubd)分別在不同的部件上運行，它們都需要多個周期才能結束。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，出現消息"Trap#0occurred"表明最后一條指令trap0已經執(zhí)行，Trap指令中編號“0"沒有定義，只是用來終止程序。雙擊圖標StatisticsoStatistics窗口提供各個方面的信息：模擬中硬件配置情況、暫停及原因、條件分支、Load/Store指令、浮點指令和traps。窗口中給出事件發(fā)生的次數和百分比，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模擬的影響。現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)行時間將會怎樣呢？我們先看一下Statistics窗口中的各種統(tǒng)計數字：總的周期數(215)和暫停數(17RAW,25Control,12Trap;54Total)，然后關閉窗口。點擊Configuration中的EnableForwarding使定向無效(去掉小鉤)，打開斷點Brea^oints圖標并點擊Breakpoints菜單，刪除所