計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

1、計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)一 可執(zhí)行程序的生成（第1 章）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)了解高級(jí)語(yǔ)言源程序和目標(biāo)機(jī)器代碼的不同表示及其相互轉(zhuǎn)換，深刻理解高級(jí)語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言之間的關(guān)系，以及機(jī)器語(yǔ)言和不同體系結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)要求：對(duì)教材1.4.5 節(jié)給出的hello.c 源程序進(jìn)行編譯、鏈接，最終生成可執(zhí)行目標(biāo)代碼。三、實(shí)驗(yàn)步驟:1.在windos環(huán)境下用任意一個(gè)編輯器編寫(xiě)hello.c程序，拷貝到e:openmips目錄下。2.將windos環(huán)境下e:openmipshello.c源程序拷貝到虛擬機(jī)/home/目錄下。（1）打開(kāi)visualbox，界面如圖1所示。圖1 visualbox主界面

2、（2）雙擊openrisc_ubuntu圖標(biāo)，啟動(dòng)虛擬機(jī)，界面如圖2所示。（3）打開(kāi)命令終端，如圖3所示，在命令行輸入 sudo mount t vboxsf openmips /mnt/回車(chē)，輸入openrisc密碼，然后打開(kāi)虛擬機(jī)左上角文件夾，按照目錄層次打開(kāi) /mnt/文件夾，將/mnt下的hello.c源程序拷貝到當(dāng)前（/home/）目錄下。圖2 虛擬機(jī)桌面圖3 命令終端3.在虛擬機(jī)環(huán)境下將hello.c編譯為mips匯編程序。（1）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4 mips編譯工具（2）如查看mips-sde-elf-gcc命令使

3、用說(shuō)明，只要在命令行輸入mips-sde-elf-gcc -help。（3）編譯hello.c源程序?yàn)閰R編代碼：在命令行輸入mips-sde-elf-gcc s hello.c回車(chē)即可，在當(dāng)前目錄下就生成hello.s匯編程序。4.將匯編程序匯編為二進(jìn)制機(jī)器代碼：在命令行輸入mips-sde-elf-as mips32 hello.s -o hello.o回車(chē)即可，在當(dāng)前目錄下就生成hello.o目標(biāo)代碼。5.進(jìn)行鏈接成可執(zhí)行目標(biāo)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(dāng)前（/home/）目錄

4、下，在命令行輸入mips-sde-elf-ld t malta-24kc-ram-hosted.ld hello.o o hello.om，此命令如有問(wèn)題，用gcc直接編譯、匯編、鏈接成可執(zhí)行文件，即在命令行輸入mips-sde-elf-gcc t malta-24kc-ram-hosted.ld hello.c o hello.om即可。6.在命令行輸入mips-sde-elf-run hello.om即可看到運(yùn)行結(jié)果。 7.在虛擬機(jī)環(huán)境下查看編譯、匯編、鏈接后的結(jié)果。例如在命令行輸入cat hello.s即可看到編譯結(jié)果。8.同時(shí)在命令行輸入mips-sde-elf-objdump s h

5、ello.om即可看到反匯編代碼段和數(shù)據(jù)段。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告：1. 說(shuō)明你做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程（重要步驟用屏幕截圖表示）。2. 給出源程序（文本文件）的內(nèi)容（用十六進(jìn)制形式表示）。3. 給出可執(zhí)行目標(biāo)文件（二進(jìn)制文件）的內(nèi)容（用十六進(jìn)制形式表示）。4. 分析或回答下列問(wèn)題。（1）分析同一個(gè)源程序在不同機(jī)器上生成的可執(zhí)行目標(biāo)代碼是否相同。（2）你能在可執(zhí)行目標(biāo)文件中找出函數(shù)printf ()對(duì)應(yīng)的機(jī)器代碼段嗎？能的話，請(qǐng)標(biāo)示出來(lái)。（3）為什么源程序文件的內(nèi)容和可執(zhí)行目標(biāo)文件的內(nèi)容完全不同？實(shí)驗(yàn)二 數(shù)據(jù)表示和運(yùn)算（第2、3章）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.通過(guò)無(wú)符號(hào)數(shù)和帶符號(hào)整數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換來(lái)理解無(wú)符號(hào)數(shù)和補(bǔ)碼整數(shù)的表

6、示。2.了解ieee 754 浮點(diǎn)數(shù)在機(jī)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(jī)器中的存放方式。4.了解高級(jí)語(yǔ)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(jì)和計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)所需滿足的要求和需要考慮的問(wèn)題。5.通過(guò)檢查高級(jí)語(yǔ)言中數(shù)據(jù)運(yùn)算的不同結(jié)果，進(jìn)一步理解機(jī)器代碼在cpu 中的執(zhí)行過(guò)程，從而為更好地學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)和cpu 設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。二、實(shí)驗(yàn)要求：1.驗(yàn)證教材表2.2 中的關(guān)系表達(dá)式的結(jié)果，并編程得出第二章習(xí)題8 的表中結(jié)果。2.通過(guò)編程得出float 和double 類型的精度（即十進(jìn)制有效位的位數(shù)）。3.編程檢查“-8.0/0”、“sqrt（-4.0）

7、”的運(yùn)算結(jié)果。4.檢查你的機(jī)器是大端方式還是小端方式，檢查內(nèi)存變量（如結(jié)構(gòu)或數(shù)組）是否按邊界對(duì)齊。5.編程實(shí)現(xiàn)以下各種操作，分別用十進(jìn)制和十六進(jìn)制形式打印輸出各種操作的結(jié)果：（1） 給定一個(gè)short 型數(shù)據(jù) -12345，分別轉(zhuǎn)換為int、unsigned short、unsigned int、float 類型的數(shù)據(jù)；（2） 給定一個(gè)int 型數(shù)據(jù)2147483647，分別轉(zhuǎn)換為short、unsigned short、unsigned int、float 類型的數(shù)據(jù)；（3）給定一個(gè)float 型數(shù)據(jù)123456.789e5，轉(zhuǎn)換成double 型數(shù)據(jù)；（4）給定一個(gè)double 型數(shù)據(jù)12

8、3456.789e5，轉(zhuǎn)換成float 型數(shù)據(jù)；（5）按short 和unsigned short 類型分別對(duì)-12345 進(jìn)行左移2 位和右移2 位操作。6.編程計(jì)算下列表達(dá)式的值，分別用十進(jìn)制和十六進(jìn)制形式顯示各種操作的結(jié)果：（1）unsigned int 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 + (- 123456.789

9、e30) = ?三、實(shí)驗(yàn)步驟:1.編寫(xiě)相關(guān)運(yùn)算的c源代碼。2打開(kāi)命令終端，在命令行輸入 sudo mount t vboxsf openmips /mnt/回車(chē)，輸入openrisc密碼，然后打開(kāi)虛擬機(jī)左上角文件夾，按照目錄層次打開(kāi) /mnt/文件夾，將/mnt下的c源程序拷貝到當(dāng)前（/home/）目錄下。3在命令行輸入mips-sde-elf-gcc t malta-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(yùn)行結(jié)果。5按照實(shí)驗(yàn)一中相應(yīng)操作，對(duì)c源程序進(jìn)行編譯、匯編、鏈接以及可執(zhí)行代碼的反匯編

10、，分析相關(guān)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的表示和運(yùn)算過(guò)程。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告：1. 說(shuō)明你做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程（重要步驟用屏幕截圖表示）。2. 分析或回答下列問(wèn)題。（1）在虛擬機(jī)上，-1 用int 類型和unsiged int 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(wú)符號(hào)數(shù)和帶符號(hào)整數(shù)的擴(kuò)展操作方式是否相同？各是如何進(jìn)行的？（4） 補(bǔ)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(zhǎng)數(shù)被截?cái)喑啥虜?shù)后可能發(fā)生什么現(xiàn)象？為什么？（7）將某一源程序生成的可執(zhí)行文件反匯編

11、，分析反匯編代碼并和編譯生成的匯編代碼進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)三 cache和程序訪問(wèn)的局部性（第4章）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.通過(guò)實(shí)際程序的執(zhí)行，理解“存儲(chǔ)程序”工作方式的自動(dòng)執(zhí)行過(guò)程。2.通過(guò)檢查實(shí)際程序的存儲(chǔ)空間，了解數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和排列順序。3.通過(guò)實(shí)際程序的執(zhí)行結(jié)果，了解程序訪問(wèn)的局部性對(duì)帶有cache 的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)要求：1.將helloworld程序編譯為匯編程序在qtspim模擬器上運(yùn)行。2編寫(xiě)以下程序，修改或添加必要的語(yǔ)句（如計(jì)時(shí)函數(shù)等），以計(jì)算和打印主體程序段的執(zhí)行時(shí)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

12、b，以比較兩個(gè)程序執(zhí)行時(shí)間的長(zhǎng)短。程序段a：a_r (int m,int n) int i, j, amn; for (i= 0; im; i+) for (j= 0; jn; j+) aij=i+j;程序段b:a_c (int m,int n ) int i, j, amn; for (j= 0; jn; j+) for (i=0; im; i+) aij=i+j;三、實(shí)驗(yàn)步驟:1.將hello world.s匯編程序，在qtspim模擬環(huán)境下運(yùn)行，檢查機(jī)器是大端方式還是小端方式以及內(nèi)存變量（如結(jié)構(gòu)或數(shù)組）是否按邊界對(duì)齊。2.將程序程序段a和b在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上編譯為匯編語(yǔ)言。3.按照附錄a

13、mipssim的指令列表、附錄c mipssim的匯編語(yǔ)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(shuō)明在mipssim模擬環(huán)境下單步運(yùn)行并檢查內(nèi)存空間。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告：1. 說(shuō)明你做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程（重要步驟用屏幕截圖表示）和執(zhí)行結(jié)果。2. 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，說(shuō)明局部數(shù)據(jù)塊大小、數(shù)組訪問(wèn)順序等和執(zhí)行時(shí)間之間的關(guān)系。五、附錄：1.spim模擬器安裝對(duì)于spim，可以將qtspim_9.1.7_windows解壓到某一目錄下，然后單擊setup.exe或者qtspim-mingw.msi文件，默認(rèn)設(shè)置直接安裝。2.mipssim模擬器安裝對(duì)于mipssim，需要安裝m

14、icrosoft .net framework組件（dotnetfx.exe），然后直接運(yùn)行mips.exe即可。實(shí)驗(yàn)四 程序的機(jī)器級(jí)表示及其過(guò)程調(diào)用（第5章）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.理解mips通用寄存器的使用。2.學(xué)會(huì)使用mips匯編語(yǔ)言編寫(xiě)簡(jiǎn)單的程序。3.理解高級(jí)語(yǔ)言過(guò)程調(diào)用的機(jī)器代碼表示及其執(zhí)行過(guò)程。二、實(shí)驗(yàn)要求：對(duì)教材例5.10高級(jí)語(yǔ)言通過(guò)手工轉(zhuǎn)換或交叉編譯器編譯為mips匯編程序，然后在qtspim模擬器上單步運(yùn)行，分析堆棧使用情況和過(guò)程調(diào)用執(zhí)行過(guò)程。三、實(shí)驗(yàn)步驟:1.在windos環(huán)境下用任意一個(gè)編輯器將例子中的c語(yǔ)言程序補(bǔ)充完整。2.結(jié)合書(shū)中給出的子函數(shù)匯編，將c語(yǔ)言程序手工轉(zhuǎn)換為mips匯編語(yǔ)言。 3.在qtspim模擬器單步執(zhí)行，查看通用寄存器和內(nèi)存空間的變化。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告：1. 說(shuō)明你做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程（重要步驟用屏幕截圖表示）和執(zhí)行結(jié)果。2. 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，程序調(diào)用過(guò)程中三個(gè)子函數(shù)的棧指針、幀指針等寄存器內(nèi)容以及堆棧的內(nèi)容的異同。五、附錄：1.mips+匯編指令基礎(chǔ)。2.mips常用指令。3.see_mips_run。實(shí)驗(yàn)五 機(jī)器指令執(zhí)行過(guò)程（第6章）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.了解數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)。2.了解控制器的設(shè)計(jì)。3.理解機(jī)器指令的執(zhí)行過(guò)程。二、實(shí)驗(yàn)要求：將openmips模型進(jìn)行綜合、仿真，分析數(shù)據(jù)通路與控