計算機組成與設(shè)計課內(nèi)實驗指導(dǎo)

-.z."計算機組成與設(shè)計"課實驗指導(dǎo)實驗一可執(zhí)行程序的生成〔第1章〕一、實驗?zāi)康模和ㄟ^了解高級語言源程序和目標機器代碼的不同表示及其相互轉(zhuǎn)換，深刻理解高級語言和機器語言之間的關(guān)系，以及機器語言和不同體系構(gòu)造之間的關(guān)系。二、實驗要求：對教材1.4.5節(jié)給出的三、實驗步驟:1.在Windos環(huán)境下用任意一個編輯器編寫hello.c程序，拷貝到E:\OpenMIPS目錄下。2.將Windos環(huán)境下E:\OpenMIPS\hello.c源程序拷貝到虛擬機/home/目錄下?！?〕翻開VisualBo*，界面如圖1所示。圖1VisualBo*主界面〔2〕雙擊OpenRISC_Ubuntu圖標，啟動虛擬機，界面如圖2所示?！?〕翻開命令終端，如圖3所示，在命令行輸入sudomount–tvbo*sfOpenMIPS/mnt/回車，輸入openrisc密碼，然后翻開虛擬機左上角文件夾，按照目錄層次翻開/mnt/文件夾，將/mnt下的hello.c源程序拷貝到當前〔/home/〕目錄下。圖2虛擬機桌面圖3命令終端3.在虛擬機環(huán)境下將hello.c編譯為MIPS匯編程序?！?〕在命令行輸入mips，在連按兩次Tab鍵，看到如圖4所示的mips編譯工具列表。圖4MIPS編譯工具〔2〕如查看mips-sde-elf-gcc命令使用說明，只要在命令行輸入mips-sde-elf-gcc--help。〔3〕編譯hello.c源程序為匯編代碼：在命令行輸入mips-sde-elf-gcc–Shello.c回車即可，在當前目錄下就生成hello.s匯編程序。4.將匯編程序匯編為二進制機器代碼：在命令行輸入mips-sde-elf-as–mips32hello.s-ohello.o回車即可，在當前目錄下就生成hello.o目標代碼。5.進展成可執(zhí)行目標文件。將〔/opt/mips-4.3/mips-sde-elf/lib〕安裝目錄下的malta-24kc-ram-hosted.ld文件拷貝到當前〔/home/〕目錄下，在命令行輸入mips-sde-elf-ld–Tmalta-24kc-ram-hosted.ldhello.o–ohello.om，此命令如有問題，用gcc直接編譯、匯編、成可執(zhí)行文件，即在命令行輸入mips-sde-elf-gcc–Tmalta-24kc-ram-hosted.ldhello.c–ohello.om即可。6.在命令行輸入mips-sde-elf-runhello.om即可看到運行結(jié)果。7.在虛擬機環(huán)境下查看編譯、匯編、后的結(jié)果。例如在命令行輸入cathello.s即可看到編譯結(jié)果。8.同時在命令行輸入mips-sde-elf-objdump–Shello.om即可看到反匯編代碼段和數(shù)據(jù)段。四、實驗報告：1.說明你做實驗的過程〔重要步驟用屏幕截圖表示〕。2.給出源程序〔文本文件〕的容〔用十六進制形式表示〕。3.給出可執(zhí)行目標文件〔二進制文件〕的容〔用十六進制形式表示〕。4.分析或答復(fù)以下問題?！?〕分析同一個源程序在不同機器上生成的可執(zhí)行目標代碼是否一樣?！?〕你能在可執(zhí)行目標文件中找出函數(shù)printf()對應(yīng)的機器代碼段嗎？能的話，請標示出來?！?〕為什么源程序文件的容和可執(zhí)行目標文件的容完全不同？實驗二數(shù)據(jù)表示和運算〔第2、3章〕一、實驗?zāi)康模?.通過無符號數(shù)和帶符號整數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換來理解無符號數(shù)和補碼整數(shù)的表示。2.了解IEEE754浮點數(shù)在機器中的應(yīng)用，特別是一些特殊值的處理。3.了解數(shù)據(jù)在機器中的存放方式。4.了解高級語言中數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換和移位操作結(jié)果，從而能更好地理解指令系統(tǒng)設(shè)計和計算機硬件設(shè)計所需滿足的要求和需要考慮的問題。5.通過檢查高級語言中數(shù)據(jù)運算的不同結(jié)果，進一步理解機器代碼在CPU中的執(zhí)行過程，從而為更好地學(xué)習指令系統(tǒng)設(shè)計和CPU設(shè)計打下良好的根底。二、實驗要求：1.驗證教材表2.2中的關(guān)系表達式的結(jié)果，并編程得出第二章習題8的表中結(jié)果。2.通過編程得出float和double類型的精度〔即十進制有效位的位數(shù)〕。3.編程檢查"-8.0/0”、"sqrt〔-4.04.檢查你的機器是大端方式還是小端方式，檢查存變量〔如構(gòu)造或數(shù)組〕是否按邊界對齊。5.編程實現(xiàn)以下各種操作，分別用十進制和十六進制形式打印輸出各種操作的結(jié)果：〔1〕給定一個short型數(shù)據(jù)-12345，分別轉(zhuǎn)換為int、unsignedshort、unsignedint、float類型的數(shù)據(jù)；〔2〕給定一個int型數(shù)據(jù)2147483647，分別轉(zhuǎn)換為short、unsignedshort、unsignedint、float類型的數(shù)據(jù)；〔3〕給定一個float型數(shù)據(jù)123456.789e5，轉(zhuǎn)換成double型數(shù)據(jù)；〔4〕給定一個double型數(shù)據(jù)123456.789e5，轉(zhuǎn)換成float型數(shù)據(jù)；〔5〕按short和unsignedshort類型分別對-12345進展左移2位和右移2位操作。6.編程計算以下表達式的值，分別用十進制和十六進制形式顯示各種操作的結(jié)果：〔1〕unsignedint型數(shù)據(jù)：1+4294967295=？；1-4294967295=？〔2〕int型數(shù)據(jù)：2147483647+1=？；-2147483648-1=？〔3〕float型數(shù)據(jù)：(1.0+123456.789e30)+(-123456.789e30)="；1.0+(123456.789e30+(-123456.789e30))="三、實驗步驟:1.編寫相關(guān)運算的C源代碼。2．翻開命令終端，在命令行輸入sudomount–tvbo*sfOpenMIPS/mnt/回車，輸入openrisc密碼，然后翻開虛擬機左上角文件夾，按照目錄層次翻開/mnt/文件夾，將/mnt下的C源程序拷貝到當前〔/home/〕目錄下。3．在命令行輸入mips-sde-elf-gcc–Tmalta-24kc-ram-hosted.ld*.c–o*.om生成可執(zhí)行文件。4．在命令行輸入mips-sde-elf-run*.om檢查相關(guān)程序運行結(jié)果。5．按照實驗一中相應(yīng)操作，對C源程序進展編譯、匯編、以及可執(zhí)行代碼的反匯編，分析相關(guān)數(shù)據(jù)在計算機部的表示和運算過程。四、實驗報告：1.說明你做實驗的過程〔重要步驟用屏幕截圖表示〕。2.分析或答復(fù)以下問題?！?〕在虛擬機上，-1用int類型和unsigedint類型表示的結(jié)果分別是多少？〔2〕float類型和double類型的精度各是多少？〔3〕無符號數(shù)和帶符號整數(shù)的擴展操作方式是否一樣？各是如何進展的？〔4〕補碼整數(shù)〔如int型數(shù)〕是否總能轉(zhuǎn)換為等值的float類型數(shù)據(jù)？為什么？〔5〕float型數(shù)據(jù)是否總能轉(zhuǎn)換成等值的double型數(shù)據(jù)？為什么？〔6〕長數(shù)被截斷成短數(shù)后可能發(fā)生什么現(xiàn)象？為什么？〔7〕將*一源程序生成的可執(zhí)行文件反匯編，分析反匯編代碼并和編譯生成的匯編代碼進展比擬。實驗三cache和程序訪問的局部性〔第4章〕一、實驗?zāi)康模?.通過實際程序的執(zhí)行，理解"存儲程序〞工作方式的自動執(zhí)行過程。2.通過檢查實際程序的存儲空間，了解數(shù)據(jù)的存儲和排列順序。3.通過實際程序的執(zhí)行結(jié)果，了解程序訪問的局部性對帶有cache的計算機系統(tǒng)性能的影響。二、實驗要求：1.將helloworld程序編譯為匯編程序在QtSpim模擬器上運行。2．編寫以下程序，修改或添加必要的語句〔如計時函數(shù)等〕，以計算和打印主體程序段的執(zhí)行時間。分別以M=100000，N=10、M=1000，N=1000、M=10，N=100000，執(zhí)行程序A和程序B，以比擬兩個程序執(zhí)行時間的長短。程序段A：a_r(intM,intN){inti,j,a[M][N];for(i=0;i<M;i++)for(j=0;j<N;j++)a[i][j]=i+j;}程序段B:a_c(intM,intN){inti,j,a[M][N];for(j=0;j<N;j++)for(i=0;i<M;i++)a[i][j]=i+j;}三、實驗步驟:1.將helloworld.s匯編程序，在QtSpim模擬環(huán)境下運行，檢查機器是大端方式還是小端方式以及存變量〔如構(gòu)造或數(shù)組〕是否按邊界對齊。2.將程序程序段A和B在實驗一的根底上編譯為匯編語言。3.按照"附錄AMIPSsim的指令列表"、"附錄CMIPSsim的匯編語言"文檔要求修改匯編程序，適合MIPSsim模擬環(huán)境。4.按照"MIPSsim使用說明"在MIPSsim模擬環(huán)境下單步運行并檢查存空間。四、實驗報告：1.說明你做實驗的過程〔重要步驟用屏幕截圖表示〕和執(zhí)行結(jié)果。2.對實驗結(jié)果進展分析，說明局部數(shù)據(jù)塊大小、數(shù)組訪問順序等和執(zhí)行時間之間的關(guān)系。五、附錄：1.SPIM模擬器安裝對于SPIM，可以將QtSpim__Windows解壓到*一目錄下，然后單擊setup.e*e或者QtSpim-mingw.msi文件，默認設(shè)置直接安裝。2.MIPSsim模擬器安裝對于MIPSsim，需要安裝Microsoft.NETFramework組件〔dotnetf*.e*e〕，然后直接運行MIPS.e*e即可。實驗四程序的機器級表示及其過程調(diào)用〔第5章〕一、實驗?zāi)康模?.理解MIPS通用存放器的使用。2.學(xué)會使用MIPS匯編語言編寫簡單的程序。3.理解高級語言過程調(diào)用的機器代碼表示及其執(zhí)行過程。二、實驗要求：對教材例5.10高級語言通過手工轉(zhuǎn)換或穿插編譯器編譯為MIPS匯編程序，然后在QtSpim模擬器上單步運行，分析堆棧使用情況和過程調(diào)用執(zhí)行過程。三、實驗步驟:1.在Windos環(huán)境下用任意一個編輯器將例子中的C語言程序補充完整。2.結(jié)合書中給出的子函數(shù)匯編，將C語言程序手工轉(zhuǎn)換為MIPS匯編語言。3.在QtSpim模擬器單步執(zhí)行，查看通用存放器和存空間的變化。四、實驗報告：1.說明你做實驗的過程〔重要步驟用屏幕截圖表示〕和執(zhí)行結(jié)果。2.對實驗結(jié)果進展分析，程序調(diào)用過程中三個子函數(shù)的棧指針、幀指針等存放器容以及堆棧的容的異同。五、附錄：1.MIPS+匯編指令根底。2.MIPS常用指令。3.See_MIPS_Run。實驗五機器指令執(zhí)行過程〔第6章〕一、實驗?zāi)康模?.了解數(shù)據(jù)通路的設(shè)計。2.了解控制器的設(shè)計。3.理解機器指令的執(zhí)行過程。二、實驗要求：將OpenMIPS模型進展綜合、仿真，分析