計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗指導(dǎo)書

1、北京郵電大學計 算 機 學 院計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 實 驗 指 導(dǎo) 書王春露 鄺堅 編著2007 年 3 月個人收集整理 勿做商業(yè)用途目錄計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗簡介DLX 處理器簡介1.實驗一WINDLX 模擬器安裝及使用12.實驗二指令流水線相關(guān)性分析3.實驗三DLX 處理器程序設(shè)計4。實驗四代碼優(yōu)化5.實驗五循環(huán)展開 （選作 ）計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗簡介DLX是一個虛擬處理器.該處理器是加州大學伯克利分校計算機系JohnL .H ennessy教授和斯坦福大學計算機系David A。 Patterson 教授在其計算機體系結(jié)構(gòu) : 一種定量的方法一書中提出的 . 該處理器反映了新一代處理器的特 點。通過

2、了解DLX處理器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并利用DLX莫擬器進行實驗，可以幫助學生綜合地了解和運用有關(guān)處理器指令系統(tǒng)的設(shè)計、流水線的設(shè)計與實現(xiàn)等方面的知識，有助于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容的理解。DLX處理器簡介第一節(jié) DL）基本結(jié)構(gòu)DLX是 一種典型的Load/Store 型指令集結(jié)構(gòu)。它不僅體現(xiàn)了當今多種機器的指令集結(jié)構(gòu)的共同特點，而且它還體現(xiàn)岀未來一些機器的指令集結(jié)構(gòu)的特點。這些機器的指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計思想都和DLX旨令集結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想十分相似，它們都強調(diào)：（1）具有一套簡單的 Load/Store 指令集；（ 2）注重指令流水效率；（ 3）簡化指令的譯碼 ;（ 4）高效支持編譯器。DLX是 一種易于學

3、習和研究的處理器結(jié)構(gòu)模型。這種類型的機器正在日趨流行，而且其結(jié)構(gòu)非常易于理解。1 . DLX中的寄存器DLX 中有32個通用寄存器（GPRS ,分別將其命名為 R0,R1R31。每個通用寄存器長度為32位。另外,DLX中有32個浮點寄存器（FPRs）,分別將其命名為 FO, F1F31。每個浮點寄存器長度為 32位。這些浮點 寄存器可以用來保存 32 位的單精度浮點數(shù)，或者通過相鄰兩個浮點寄存器奇偶對FiFi+1 （ i=0,2,4 ， 30）來保存雙精度浮點數(shù)，這種組合而成的 64位雙精度浮點寄存器在 DLX中分別被命名為 F0,F2F28 , F30.2. DLX 數(shù)據(jù)類型DLX提供了多種

4、長度的整型數(shù)據(jù)和浮點數(shù)據(jù).對整型數(shù)據(jù)而言，有8位，16位，32位多種長度；對浮點而言，有32位單精度浮點數(shù)和 64位雙精度浮點數(shù).浮點數(shù)據(jù)表示采用的是IEEE754標準。DLX操作都是對32位整型數(shù)據(jù)及 32或 64 位浮點數(shù)據(jù)進行的 .3 . DLX的尋址方式和數(shù)據(jù)傳送DLX 提供了寄存器尋址 , 立即尋址，偏移尋址和寄存器間接尋址四種尋址方式。寄存器尋址字段的大小為5 位，用來標識 32 個通用寄存器或浮點寄存器 .4。 DLX 的指令格式因為DLX只有四種尋址方式，所以將其尋址方式編碼在操作碼中。為了簡化指令譯碼，并充分發(fā)揮流水線的效率，所有DLX指令的字長均是 32位，其中用6位表示操

5、作碼。DLX中各種類型指令的格式如圖1所示：I類型指令操作碼OFrslrd立即值字節(jié)、半字*宇的載A和儲存rd l rsl OP立即慎&，一 5 M _聯(lián)型指令操作碼OF "1 "2 rd氏uk |奇存器奇存器此喺作】rdTsl Func rs2 函數(shù)對數(shù)據(jù)的凜作進行編碼:加、減 對特殊寄存器的讀/寫和移動J類型指令操作碼DP與FC相啲漏移量跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)并錐接.從異常處自陷和逋叵.5 . DLX中的操作DLX指令中的操作可以分為四種類型，即：Load和Store操作、ALU操作、分支和跳轉(zhuǎn)操作、浮點操作。（1） Load 和 Store 操作可以對DLX的所有通用寄存

6、器和浮點寄存器進行Load （載入）和Store （儲存）操作，但是通用寄存器R0的Load操作沒有任何效果。ALU 操作在DLX中，所有的ALU指令都是寄存器寄存器型指令，其運算包含了簡單的算術(shù)和邏輯運算，如加、減、ANDOR XOR和移位.另外,DLX還允許所有這些指令對立即值進行操作 ，立即值以16位符號擴展形式岀現(xiàn)。 LHI （ Load高位 立即值）操作將立即值載入到一個寄存器的高半部分，而該寄存器的低半部分則設(shè)置為0.這樣就可以通過兩條 Load指令構(gòu)造一個32位的常數(shù)。正如上面所提到的，R0主要用來合成一些有用的操作。比如， Load 一個常數(shù)就可以看作是一次簡單的立即值加操作,

7、其中一個源操作數(shù)是R0;寄存器-寄存器間的數(shù)據(jù)移動也可以看作是一次簡單的加，其中一個源操作數(shù)是R0.這兩個操作可以分別用 LI和MOV表示。在DLX指令集中，還有一些寄存器比較指令（=，工，），如果比較結(jié)果為真，這些指令就在目標寄存器中填入1 （表示真），否則填入0 （表示假）。因為這些比較操作指令要對目標寄存器進行“設(shè)置",所以也稱它們?yōu)樵O(shè)置相等、設(shè)置不等、設(shè)置小于等指令.（3 ）分支和跳轉(zhuǎn)操作在DLX中，對程序流程的控制是通過一些跳轉(zhuǎn)和分支指令來實現(xiàn)的。根據(jù)描述目標地址的方法和是否鏈接可以將26位偏移量加上程序計數(shù)器的值來確定跳轉(zhuǎn)的目跳轉(zhuǎn)操作指令分為四種類型。其中兩種類型的跳轉(zhuǎn)指

8、令用帶符號位的個人收集整理 勿做商業(yè)用途 標地址，另外兩種類型的跳轉(zhuǎn)指令則指定一個寄存器，由寄存器中的內(nèi)容決定跳轉(zhuǎn)的目標地址 . 跳轉(zhuǎn)有兩種類型，一種 是簡單跳轉(zhuǎn)，另一種是跳轉(zhuǎn)并鏈接（用于過程調(diào)用） , 后者將返回一個地址，即將下一條順序指令地址（返回地址 ） 保存在寄存器 R31 中。DLX 中的所有分支指令均是條件分支指令 , 其源操作數(shù)寄存器中包含了一個數(shù)值或某個比較結(jié)果 . 分支指令測試該 源操作數(shù)寄存器中的值是 0還是非 0，決定分支是否成功。分支目標地址由一個帶符號的26 位偏移量加上程序計數(shù)器的值來確定 , 分支目的地址指向下一條要執(zhí)行的指令（ 4） 浮點操作在DLX中，浮點指令

9、的操作數(shù)來源于浮點寄存器，同時該浮點指令還指明了相應(yīng)的操作是單精度浮點操作還是雙精度浮點操作。DLX的浮點操作有：力廿、減、乘、除。后綴D代表雙精度浮點操作，而后綴F代表單精度浮點操作 （如：ADDD ADDFSUBD SUBF MULTD MULTF DIVD、DIVF）。值得提岀的是，DLX的浮點比較操作設(shè)置浮點狀態(tài)寄存器中的位，如果比較 結(jié)果為真，則將該位設(shè)置為1;如果比較結(jié)果為假，則將該位設(shè)置為0。浮點分支指令 BFPT和BFTF則測試該寄存器的值來決定分支是否成功。另外，操作MOVF將一個單精度浮點寄存器的內(nèi)容拷貝至另一個單精度浮點寄存器；MOVD則將一個雙精度浮點寄存器的內(nèi)容拷貝至

10、另一雙精度寄存器；MOVFP2I和MOVI2FP操作則是在一個浮點寄存器和通用寄存器之間移動數(shù)據(jù)，如果要將一個雙精度浮點數(shù)移入兩個通用寄存器則需要兩條指令，另外DLX還提供了在32位浮點寄存器中進行整數(shù)乘除操作的指令。第二節(jié) DLX 流水線結(jié)構(gòu)一一個簡單實現(xiàn)為了說明指令的流水執(zhí)行方式 , 先論述在不流水的情況下，種簡單數(shù)據(jù)通路，下面可以看岀在五個時鐘周期內(nèi)可以完成一條1取指令周期（ IF ）：DLX指令是如何執(zhí)行的.圖2給岀了實現(xiàn)DLX指令的一DLX指令.IR Mem : PCNPC PC + 4其操作為：根據(jù)PC直從存貯器中取岀指令，并將指令送入指令寄存器IR;PC值增加4,指向順序的下一條

11、指令，并將下一條指令的地址放入臨時寄存器NP（中 .實現(xiàn)DLX指令的一種簡單數(shù)據(jù)通路2 指令譯碼/讀寄存器周期(ID):A RegsIR6.。10B RegsIR11.。15Imm(IR16)16 # IR16.。31其操作為：對指令操作碼進行譯碼，按照給定的尋址方式和地址段中的內(nèi)容形成操作數(shù)的地址，并用這個地址讀 操作數(shù)。操作數(shù)可能在駐村中，也可能在通用寄存器中.8：指令的譯碼操作和讀寄存器操作是并行進行的。之所以能做到這一點， 是因為DLX指令格式中，操作碼在固定位置這種技術(shù)也稱為固定字段譯碼技術(shù).值得注意的是，在上述過程中，可能讀岀了一些在后面周期中并不會使用到的寄存器內(nèi)容，但是這并不會

12、影響指令執(zhí)行的正確性.相反，卻可以有效地降低問題的復(fù)雜性另外，由于立即值在 DLX旨令格式中處于固定位置，因此這里也對其進行符號擴展，以便在下一個周期能使用它 當然由于指令的不同，也許在后面的周期中并不會用到這個立即值，但無論如何，提前形成立即值總是有益無害的。3 執(zhí)行/有效地址計算周期(EX在這個周期，不同的指令有不同的操作.1(1)存儲器訪問:ALUOutput A+ Imm當指令為存貯器訪問指令時，該周期的操作為：ALU將操作數(shù)相加形成有效地址，并將結(jié)果放入臨時寄存器ALUoutput 中.(2 )寄存器一寄存器 ALU操作：ALUOutput A opB當指令為寄存器一-寄存器ALL操

13、作指令時，該周期的操作為：ALU根據(jù)操作碼指岀的功能對臨時寄存器A和B中的值進行處理，并將結(jié)果送入臨時寄存器ALUoutput中.(3) 寄存器一立即值 ALU操作：ALUOutput A opImm當指令為寄存器一一-寄存器ALU操作指令時，該周期的操作為：ALU根據(jù)操作碼指岀的功能對臨時寄存器A和Imm中的值進行處理，并將結(jié)果送入臨時寄存器ALUoutput中.(4) 分支操作ALUOutput NPO ImmCond( A op 0)當指令為分支指令時，該周期的操作為：ALU將臨時寄存器NP(和Imm中的值相加，得到分支的目標地址。同時，對在前一個周期讀入到寄存器A的值進行檢查，決定分支

14、是否成功。0P由分支操作碼決定這里， 將有效地址計算周期和執(zhí)行周期合并為一個時鐘周期，這是由 DLX 指令集結(jié)構(gòu)本身的特點所允許的 , 因為在DLX 指令集結(jié)構(gòu)中 ,沒有任何指令需要同時計算數(shù)據(jù)的存儲器地址、計算分支指令的目標地址和對數(shù)據(jù)進行處理.另外,上面四種操作類型中沒有包含各種形式的跳轉(zhuǎn)操作，它們和分支操作十分相似, 這里就不再贅述4存儲器訪問 / 分支完成周期( MEM)在該周期處理的DLX旨令只有Load、Store和分支指令。存儲器訪問：LMD MemALUOutput或Mem ALUOutput B存貯器的訪問操作包含了Load和Store兩種類型的操作。如果指令是Load指令，

15、就將臨時寄存器 ALUOutput中的值作為訪存地址，從存貯器中讀岀相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并放入臨時寄存器LM呼；如果指令是Store指令，就將臨時寄存器中的值按照臨時寄存器ALUOutput所知名的地址寫入存貯器。 分支操作：if (cond ) PC ALUOutput elsePC NPC如果分支條件寄存器中的內(nèi)容為真，表明分支轉(zhuǎn)移成功，選擇臨時寄存ALUOutput中的值作為分支目標地址，并將其放入PC中。否則，他將臨時寄存器NP(中的值送入PC中，作為下一條指令地址。15寫回周期( WB)： 不同指令在該周期完成的工作也不一樣。這里按如下指令類型對寫回周期所要完成的工作進行說明。(1)寄存器一

16、寄存器型 ALU 指令:RegsIR16。20 ALUOutput(2 )寄存器一立即值型 ALU 指令:Regs : IR11.15 ALUOutput( 3)Load 指令Regs IR11 15 LMD上述指令均是將結(jié)果寫入寄存器文件。 無論結(jié)果是來自于存儲器系統(tǒng) (臨時寄存器 LMD 中的內(nèi)容) ，還是來自于 ALU 的計算結(jié)果(臨時寄存器 ALUoutput 中的內(nèi)容 ) ，都由操作碼決定將其送入目標寄存器相應(yīng)的域中從圖1-2中可以看岀， 分支指令需要 4個時鐘周期完成 ,其它指令需要 5個時鐘周期完成。 假設(shè)分支指令數(shù)占指令總 數(shù)(也稱混合指令數(shù))的 12，則其 CPI 是4.88

17、個時鐘周期。由此可見 ,上述實現(xiàn)無論是從性能方面，還是從硬件開銷 方面，都稱不上是一種優(yōu)化實現(xiàn)。由于 ALU 指令在 MEM 周期不做任何工作，所以可以在 MEM 周期就完成 ALU 指令, 這并不影響執(zhí)行部件的時鐘速 度，但是可以降低 CPI。假設(shè)ALU指令數(shù)占混合指令條數(shù)的 44%，則CPI可達4。44,這種改進所帶來的加速比為 4.88/4.44=1。 1.如果還要降低 CPI ，就有可能會延長時鐘周期時間 , 因為在每個時鐘周期中可能需要完成更多的工作，因此，時鐘 周期時間和 CPI 之間也存在著折衷關(guān)系，這種折衷取舍需建立在對系統(tǒng)仔細分析的基礎(chǔ)之上。DLX基本流水線我們可以將每一個時

18、鐘周期看作是流水線的一個時鐘周期，使圖2中的數(shù)據(jù)通路成為一條指令流水線。硬件每個時鐘周期啟動一條新的指令，并執(zhí)行5條不同指令中的某一部分。我們可以把該流水線描述成為圖 3所示的流水過程。一種簡單DLX流水線.的流水過程指令塢號時鐘周朋12345799指令1IFIDEXIEMWB181+1IFIDEKIEM指1+2IFIDEXMEMTB181+3IFIDEXIE1幗)8令i +噸IfIDEXHERWB圖3簡單的DLX流水線從圖3可以看岀，每條指令仍然需要 5個時鐘周期完成，但是指令執(zhí)行的吞吐量卻有很大提 高，雖然DLX流水線十分簡單，但是要使DLX指令的各種組合能夠在上述流水線中真正流水起來,

19、充分發(fā)揮流水線的效率并不是容易的事情，它必須解決各種相關(guān)問題實驗一 WINDLX 模擬器安裝及使用一、實驗類別： 綜合實驗二、實驗?zāi)康?:建立實驗環(huán)境，了解 WINDLX 模擬器的結(jié)構(gòu)及使用三、實驗學時： 2四、人組數(shù) :1/1五、實驗設(shè)備環(huán)境 WinDLX要求的硬件平臺是 IBM PC兼容機,WinDLX是一個 Windows 應(yīng)用程序，運行于 Windows 3.0 以上的操作系統(tǒng) .六、實驗原理：WinDLX軟件包中帶有說明文件，供安裝程序時候使用七、教學要點與學習難點：軟件包中還有 WinDLX教程和聯(lián)機幫助，可以通過它們進一步了解模擬器的使用方法和DLX處理器的原理。大家在進行模擬實

20、驗以前應(yīng)該仔細閱讀這些文檔。八、實驗內(nèi)容和要求：閱讀模擬器Help文檔和相關(guān)資料，利用Fact。s及In put。s代碼熟悉模擬器的配置、各項工具使用、寄存器設(shè)置及指令系統(tǒng)。九、實驗步驟： （1） WINDLX 模擬器安裝（2） 熟悉模擬器的配置（ 3） 熟悉各工具的使用十、 可研究與探索的問題 ：十一、 實驗報告要求：簡要介紹 WINDLX 模擬器結(jié)構(gòu)和功能二 實驗二 指令流水線相關(guān)性分析一、實驗類別：驗證實驗二、實驗?zāi)康模和ㄟ^使用 WINDLX 模擬器，對程序中的三種相關(guān)現(xiàn)象進行觀察， 并對使用專用通路， 增加運算部件等技術(shù)對性能的影響進行考察， 加深對流水 線和 RISC 處理器的特點的

21、理解。三、實驗學時： 4四、實驗組人數(shù)： 1/1五、實驗設(shè)備環(huán)境：Win DLX模擬器可以裝入 DLX匯編語言程序，然后單步、設(shè)置斷點 或者連續(xù)執(zhí)行該程序。 CPU的寄存器、流水線、I/O和存儲器都可以使用圖形的方 式表示出來。模擬器還提供了對流水線操作的統(tǒng)計功能。該模擬器對理解流水線和 RISC 處理器的特點很有幫助。六、實驗原理： 指令流水線中主要有 結(jié)構(gòu)相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)。 相關(guān)影響流 水線性能。七、教學要點與學習難點：三種相關(guān)及其解決辦法八、實驗內(nèi)容和要求：使用WinDLX模擬器，對求階乘程序 Fact。s做分析九、實驗步驟：（1） 觀察程序中出現(xiàn)的數(shù)據(jù) /控制/結(jié)構(gòu)相關(guān)。 指出

22、程序中出現(xiàn)上述現(xiàn)象的指令組 合。（ 2） 考察增加浮點運算部件對性能的影響。（ 3） 考察增加 forward 部件對性能的影響。（ 4 ） 觀察轉(zhuǎn)移指令在轉(zhuǎn)移成功和轉(zhuǎn)移不成功時候的流水線開銷 .注意：除（ 2）以外，浮點加、乘、除部件都只有一個；本問題中所有浮點運算部件的延時都請設(shè)定為 4 個周期 .十、 可研究與探索的問題 :實驗報告要求：（ 1）實驗?zāi)康?.（2）實驗原理。（3 ）針對上面的實驗內(nèi)容，記錄實驗過程，給出分析結(jié)果， 相關(guān)理論依據(jù)。（4 ）給出實驗總結(jié)：根據(jù)實驗，總結(jié)采用流水線技術(shù)會遇到的問題和為解決這些問題所采用的各種技術(shù)的作用。 同時簡單談?wù)勛约簩α魉€技術(shù)的認識。三 實

23、驗三 DLX 處理器程序設(shè)計一、實驗類別：綜合型二、實驗?zāi)康?:學習使用 DLX 匯編語言編程 ,進一步分析相關(guān)現(xiàn)象三、實驗學時： 4四、實驗組人數(shù)： 1/1五、實驗設(shè)備環(huán)境：DLX匯編語言環(huán)境六、實驗原理：掌握向量運算算法和編程方法。七、教學要點與學習難點:DLX匯編語言八、實驗內(nèi)容和要求：自編一段匯編代碼， 完成兩雙精度浮點一維向量的加法 （或乘除法） 運算 ,并輸出結(jié)果 .向量長度 >=16。觀察程序中出現(xiàn)的數(shù)據(jù) / 控制/ 結(jié)構(gòu)相關(guān)九、實驗步驟 :（1）熟悉DLX匯編語言.2）編寫 兩雙精度浮點一維向量的加法運算程序。3 ）對此程序完成上面實驗二中1）、 2）、 3）、 4）方面

24、的分析。十、 可研究與探索的問題： 十一、 實驗報告要求：（1）實驗?zāi)康?。?）代碼清單及注釋說明（ 3）程序相關(guān)性分析結(jié)果四 實驗四 代碼優(yōu)化實驗類別：實驗?zāi)康模壕C合實驗 學習簡單編譯優(yōu)化方法， 觀察采用編譯優(yōu)化方法所帶來的性能的提三、實驗學時 :4四、實驗組人數(shù) :1/1五、實驗設(shè)備環(huán)境： DLX 匯編語言環(huán)境六、實驗原理： 采用 靜態(tài)調(diào)度方法重排指令序列，減少相關(guān)，優(yōu)化程序七、教學要點與學習難點：指令靜態(tài)調(diào)度方法。八、實驗內(nèi)容和要求： 對實驗二或?qū)嶒炄拇a進行優(yōu)化， 給出性能改進的量化值， 同時給出采取優(yōu)化手段的理論依據(jù)。九、實驗步驟 :（1） 使用靜態(tài)調(diào)度方法手工優(yōu)化 實驗 2或?qū)嶒?3 的代碼（2） 對優(yōu)化程序 ,重復(fù)實驗二中 （1 ）、 （2 ）、（ 3