《計算機體系結(jié)構(gòu)》課程實驗教學(xué)大綱(Ⅰ)

1、計算機體系結(jié)構(gòu)課程實驗教學(xué)大綱()注：同一門實驗課程若對不同專業(yè)開設(shè)的實驗項目、實驗要求不同，則大綱應(yīng)不同，區(qū)分可采用題目后加（）、（）、（）的辦法編 號：課程總學(xué)時： 54 實驗學(xué)時：8課程總學(xué)分： 3 實驗學(xué)分：（非單獨設(shè)課的實驗不用填此項）先修課程：模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、數(shù)字邏輯、計算機組成原理,操作系統(tǒng),編譯原理適用專業(yè)：計算機科學(xué)與技術(shù)（嵌入式本科）、網(wǎng)絡(luò)工程（本科）、計算機科學(xué)與技術(shù)（信息技術(shù)方向本科）一、本課程實驗的主要目的與任務(wù)本課程實驗的主要目的與任務(wù)是為了配合本課程更好的深入開展和執(zhí)行，通過讓學(xué)生做一定數(shù)量的實驗，提高學(xué)生從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析這一層次來研究和分析計算機

2、系統(tǒng)的能力，幫助學(xué)生建立整機的概念；使學(xué)生掌握計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)、基本設(shè)計和分析方法，并對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀有所了解。二、本課程實驗應(yīng)開設(shè)項目序號實驗項目名稱學(xué)時類型必做/選做所需主要設(shè)備型號、名稱1實驗 一 MIPS指令系統(tǒng)和MIPS體系結(jié)構(gòu)2驗證性必做微機1臺、 MIPSsim模擬器2實驗 二 流水線及流水線中的沖突2驗證性必做微機1臺、 MIPSsim模擬器3實驗 三 指令調(diào)度和延遲分支2驗證性必做微機1臺、 MIPSsim模擬器4實驗 四 Cache 性能分析2驗證性必做微機1臺、 MyCache模擬器注：1、類型-指驗證性、綜合性、設(shè)計性；2、該

3、表格不夠可拓展。三、各實驗項目主要實驗內(nèi)容和基本要求實驗 1 MIPS指令系統(tǒng)和MIPS體系結(jié)構(gòu)1. 實驗?zāi)康?1) 了解和熟悉指令級模擬器；(2) 熟練掌握MIPSsim模擬器的操作和使用方法；(3) 熟悉MIPS指令系統(tǒng)及其特點，加深對MIPS指令操作語義的理解；(4) 熟悉MIPS體系結(jié)構(gòu)。2. 實驗內(nèi)容 首先要閱讀MIPSsim模擬器的使用方法，然后了解MIPSsim的指令系統(tǒng)和匯編語言。（1）啟動MIPSsim（用鼠標(biāo)雙擊MIPSsim.exe）。（2）選擇“配置”->“流水方式”選項，使模擬器工作在非流水方式。（3）參照使用說明，熟悉MIPSsim模擬器的操作和使用方法。可以

4、先載入一個樣例程序（在本模擬器所在的文件夾下的“樣例程序”文件夾中），然后分別以單步執(zhí)行一條指令、執(zhí)行多條指令、連續(xù)執(zhí)行、設(shè)置斷點等的方式運行程序，觀察程序的執(zhí)行情況，觀察CPU中寄存器和存儲器的內(nèi)容的變化。（4）選擇“文件”->“載入程序”選項，加載樣例程序 alltest.asm，然后查看“代碼”窗口，查看程序所在的位置（起始地址為0x00000100）。（5）查看“寄存器”窗口PC寄存器的值：PC= 0x00000000。（6）執(zhí)行l(wèi)oad和store指令，步驟如下：1）單步執(zhí)行一條指令（F7）。2）下一條指令地址為=0x00000004 ，是一條 無 （有，無）符號載入 字節(jié) （

5、字節(jié)，半字，字）指令。3）單步執(zhí)行一條指令（F5）。4）查看R1的值，R1= 0xFFFFFFFFFFFFFF80。5）下一條指令地址為0x00000008，是一條 有 （有，無）符號載入 字 （字節(jié)，半字，字）指令。6）單步執(zhí)行1條指令。7）查看R1的值，R1= 0x0080。8）下一條指令地址為0x0000000C，是一條 無 （有，無）符號載入 字節(jié)（字節(jié)，半字，字）指令。9）單步執(zhí)行1條指令。10）查看R1的值，R1= 0x0080。11）單步執(zhí)行1條指令。12）下一條指令地址為0x00000014，是一條保存 字 （字節(jié)，半字，字）指令。13）單步執(zhí)行一條指令（F5）。14）查看內(nèi)存

6、BUFFER處字的值，值為0x00000080 。（7）執(zhí)行算術(shù)運算類指令。步驟如下：1) 雙擊“寄存器”窗口中的R1，將其值修改為2。2) 雙擊“寄存器”窗口中的R2，將其值修改為3。3) 單步執(zhí)行一條指令。4) 下一條指令地址為0x00000020，是一條加法指令。5) 單步執(zhí)行一條指令。6) 查看R3的值，R3= 0x0005。7) 下一條指令地址為0x00000024，是一條乘法指令。8) 單步執(zhí)行一條指令。9) 查看LO、HI的值，LO= 0x0006，HI= 0x0000。（8）執(zhí)行邏輯運算類指令。步驟如下：1）雙擊“寄存器”窗口中的R1，將其值修改為0XFFFF0000。2）雙擊

7、“寄存器”窗口中的R1，將其值修改為0XFFFF0000。3）單步執(zhí)行一條指令。4）下一條指令地址為0x00000030，是一條邏輯與運算指令，第二個操作數(shù)尋址方式是（寄存器直接尋址，立即數(shù)尋址）。5）單步執(zhí)行一條指令。6）查看R3的值，R3= 0x00000000FFFF0000。7）下一條指令地址為0x00000034，是一條邏輯或指令，第二個操作數(shù)尋址方式是寄存器直接尋址（寄存器直接尋址，立即數(shù)尋址）。8）單步執(zhí)行一條指令。9）查看R3的值，R3= 0x0000。（9）執(zhí)行控制轉(zhuǎn)移類指令。步驟如下：1）雙擊“寄存器”窗口中R1，將其值修改為2。2）雙擊“寄存器”窗口中R2，將其值修改為2

8、。3）單步執(zhí)行一條指令。4）下一條指令地址為0x00000040，是一條BEQ指令,其測試條件是_操作數(shù)相等則轉(zhuǎn)移_，目標(biāo)地址為0x00000054_。 5) 單步執(zhí)行1條指令。 6) 查看PC的值，PC= 0x0000004c，表明分支_成功_（成功，失敗）。 7) 一條指令是一條BGEZ指令，其測試條件是_大于等于0則轉(zhuǎn)移_，目標(biāo)地址為0x_。 8) 單步執(zhí)行1條指令。 9) 查看PC的值，PC= 0x00000058表明分支_成功_（成功，失敗）。 10) 下一條指令是一條BGEZAL指令，其測試條件是_大于等于0轉(zhuǎn)移并鏈接_，目標(biāo)地址為0x_。 11) 單步執(zhí)行1條指令。 12) 查看

9、PC的值，PC= 0x00000064 _，表明分支_成功_（成功，失?。?；查看R31的值，R31= 0x0000。 13) 單步執(zhí)行1條指令。 14）查看R1的值，R1= 0x0074。 15）下一條指令地址為0x00000068，是一條JALR指令，保存目標(biāo)地址的寄存器為R_，保存返回地址的目標(biāo)寄存器為R_。 16）單步執(zhí)行1條指令。17）查看PC和R3的值，PC= 0x00000074，R3= 0x006C。3. 實驗要求通過本實驗應(yīng)達到如下要求：(1) 對指令級模擬器有一定了解；(2) 能夠熟練使用MIPSsim模擬器；(3) 理解MIPS指令系統(tǒng)及其特點，加深對MIPS指令操作語義的

10、理解。4. 實驗器材(1) 實驗平臺采用指令級和流水線操作級模擬器MIPSsim；(2) 計算機一臺。實驗2 流水線及流水線中的沖突1. 實驗?zāi)康?1) 加深對計算機流水線基本概念的理解。(2) 理解MIPS結(jié)構(gòu)如何用5段流水線來實現(xiàn)，理解各段的功能和基本操作。(3) 加深對數(shù)據(jù)沖突、結(jié)構(gòu)沖突的理解，理解這兩類沖突對CPU性能的影響。(4) 進一步理解解決數(shù)據(jù)沖突的方法，掌握如何應(yīng)用定向技術(shù)來減少數(shù)據(jù)沖突引起的停頓。2. 實驗內(nèi)容首先要掌握MIPSsim模擬器的使用方法。（1）啟動MIPSsim。 （2）根據(jù)預(yù)備知識中關(guān)于流水線各段操作的描述，進一步理解流水線窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器

11、的含義。（用鼠標(biāo)雙擊各段，就可以看到各流水寄存器的內(nèi)容） （3）參照MIPSsim模擬器使用說明，熟悉MIPSsim模擬器的操作和使用方法。 可以先載入一個樣例程序（在本模擬器所在的文件夾下的“樣例程序”文件夾中）。然后分別以單步執(zhí)行一條周期、執(zhí)行多個周期、連續(xù)執(zhí)行、設(shè)置斷點等的方式運行程序，觀察程序的執(zhí)行情況，觀察CPU中寄存器和存儲器的內(nèi)容的變化，特別是流水寄存器內(nèi)容的變化。 （4）選擇配置菜單中的“流水方式”選項，使模擬器工作于流水方式下。 （5）觀察程序在流水線中的執(zhí)行情況，步驟如下： 1）選擇MIPSsim的“文件”>“載入程序”選項來加載pipeline.s （在模擬器所在文

12、件夾下的“樣例程序”文件夾中）。 2）關(guān)閉定向功能。這是通過“配置”>“定向”（使該項前面沒有號）來實現(xiàn)的。 3）用單步執(zhí)行一個周期的方式（在“執(zhí)行”菜單中）或按F7鍵執(zhí)行該程序，觀察每一個周期中，各段流水寄存器內(nèi)容的變化、指令的執(zhí)行情況（“代碼”窗口）以及時鐘周期圖。 4）當(dāng)執(zhí)行到第13個時鐘周期時，各段分別正在處理的指令是： IF：_0030_ ID：0030 EX：002C MEM：002C WB：_ 畫出這時的時鐘周期圖。（6）這時各流水寄存器中的內(nèi)容為： IF/ID.IR：CC4003C_ IF/ID.NPC：0030 ID/EX.A：0000 ID/EX.B：0000_ ID

13、/EX.Imm：0019_ ID/EX.IR：0019_ EX/MEM.ALUo：0004_ EX/MEM.IR：FFFF_ MEM/WB.LMD：0000_ MEM/WB.ALUo：0008_ MEM/WB.IR：0008_（7）觀察和分析結(jié)構(gòu)沖突對CPU性能的影響，步驟如下： 1）加載structure_hz.s（在模擬器所在文件夾下的“樣例程序”文件夾中）。 2）執(zhí)行該程序，找出存在結(jié)構(gòu)沖突的指令對以及導(dǎo)致結(jié)構(gòu)沖突的部件。 3）記錄由結(jié)構(gòu)沖突引起的停頓時鐘周期數(shù)，計算停頓時鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。 4）把浮點加法器的個數(shù)改為4個。 5）再次重復(fù)步驟的工作。 6）分析結(jié)構(gòu)沖突對CP

14、U性能的影響，討論解決結(jié)構(gòu)沖突的方法。（8）觀察數(shù)據(jù)沖突并用定向技術(shù)來減少停頓，步驟如下： 1）全部復(fù)位。 2）加載data_hz.s（在模擬器所在的文件夾下的“樣例程序”文件夾中）。 3）關(guān)閉定向功能。這是通過“配置”->“定向”（是該項前面沒有號）來實現(xiàn)的。 4）用單步執(zhí)行一個周期的方式（F7）執(zhí)行該程序，同時查看時鐘周期圖，列出在什么時刻發(fā)生了RAW（先寫后讀）沖突。 5）記錄數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)，計算停頓時鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。 6）復(fù)位CPU 。 7）打開定向功能。這是通過“配置”->“定向”（是該項前面有號）來實現(xiàn)的。 8）用

15、單步執(zhí)行一個周期的方式（F7）執(zhí)行該程序，同時查看時鐘周期圖，列出在什么時刻發(fā)生了RAW（先寫后讀）沖突，并與步驟3的結(jié)果進行比較。 9）記錄數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)。計算采用定向技術(shù)后的性能是原來的幾倍。3. 實驗要求通過本實驗應(yīng)達到如下要求：(1) 能夠加深對計算機流水線基本概念的理解。(2) 能夠理解MIPS結(jié)構(gòu)如何用5段流水線來實現(xiàn)，理解各段的功能和基本操作。(3) 進一步加深對數(shù)據(jù)沖突、結(jié)構(gòu)沖突的理解，理解這兩類沖突對CPU性能的影響。(4) 進一步理解解決數(shù)據(jù)沖突的方法和如何應(yīng)用定向技術(shù)來減少數(shù)據(jù)沖突引起的停頓。4. 實驗器材(1) 實驗平臺采用指令級

16、和流水線操作級模擬器MIPSsim；(2) 計算機一臺。實驗3 指令調(diào)度和延遲分支1. 實驗?zāi)康?1) 加深對指令調(diào)度技術(shù)的理解。(2) 加深對延遲分支技術(shù)的理解。(3) 熟練掌握用指令調(diào)度技術(shù)解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突的方法。(4) 進一步理解指令調(diào)度技術(shù)對CPU性能的改進。(5) 進一步理解延遲分支技術(shù)對CPU性能的改進。2. 實驗內(nèi)容首先要掌握MIPSsim模擬器的使用方法。（1）啟動MIPSsim。（2）根據(jù)前面的相關(guān)知識中關(guān)于流水線各段操作的描述，進一步理解流水線窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含義（雙擊各段，就可以看到各流水寄存器中的內(nèi)容）。（3）選擇“配置”->“流水方式”

17、選項，使模擬器工作于流水方式下。（4）用指令調(diào)度技術(shù)解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突。 1）啟動MIPSsim。 2）用MIPSsim的“文件”->“載入程序”選項來加載schedule.s（在模擬器所在的文件夾下的“樣例程序”文件夾中）。 3）關(guān)閉定向功能。這是通過“配置”->“定向”（是該項前面沒有號）來實現(xiàn)的。 4）執(zhí)行所載入的程序。通過查看統(tǒng)計數(shù)據(jù)和時鐘周期圖，找出并記錄程序執(zhí)行過程中各種沖突發(fā)生的次數(shù)、發(fā)生沖突的指令組合以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)。 5）采用指令調(diào)度技術(shù)對程序進行指令調(diào)度，消除沖突。將調(diào)度后的程序存到after-schedule.s中。6）載入after-sched

18、ule.s。 7）執(zhí)行該程序。觀察程序在流水線中的執(zhí)行情況，記錄程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)。 8）根據(jù)記錄結(jié)果，比較調(diào)度前和調(diào)度后的性能。論述指令調(diào)度對于提高CPU性能的作用。（5）用延遲分支減少分支指令對性能的影響。 1）啟動MIPSsim。 2）載入branch.s。 3）關(guān)閉延遲分支功能。這是通過“配置”>“延遲槽”選項來實現(xiàn)的。 4）執(zhí)行該程序。觀察并記錄發(fā)生分支延遲的時刻。 5）記錄執(zhí)行該程序所用的總時鐘周期數(shù)。 6）假設(shè)延遲槽有1個，對branch.s進行指令調(diào)度，然后保存到“delayed-branch.s”中。 7）載入delayed-branch.s。 8）打開延遲分支功能

19、。 9）執(zhí)行該程序。觀察其時鐘周期圖。 10）記錄執(zhí)行該程序所用的總時鐘周期數(shù)。 11）對比上述兩種情況下的時鐘周期圖。 12）根據(jù)記錄結(jié)果，比較沒采用延遲分支和采用了延遲分支的性能之間的不同。論述延遲分支對于提高CPU性能的作用。3. 實驗要求通過本實驗應(yīng)達到如下要求：(1) 進一步加深對指令調(diào)度技術(shù)和延遲分支技術(shù)的理解,及它們對CPU性能的影響。(2) 能夠熟練掌握用指令調(diào)度技術(shù)解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突的方法。4. 實驗器材(1) 實驗平臺采用指令級和流水線操作級模擬器MIPSsim；(2) 計算機一臺。 實驗4 Cache 性能分析1. 實驗?zāi)康?1) 加深對Cache的基本概念、基本組織

20、結(jié)構(gòu)以及基本工作原理的理解。(2) 掌握Cache容量、相聯(lián)度、塊大小對Cache性能的影響。(3) 掌握降低Cache不命中率的各種方法以及這些方法對提高Cache性能的好處。(4) 理解LRU與隨機法的基本思想以及它們對Cache性能的影響。2. 實驗內(nèi)容 首先掌握MyCache模擬器的使用方法。（1）Cache容量對不命中率的影響。 1）啟動MyCache。 2）用鼠標(biāo)單擊“復(fù)位”按鈕，把各參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值。 3）選擇一個地址流文件。方法：選擇“訪問地址”>“地址流文件”選項，然后單擊“瀏覽”按鈕，從本模擬器所在文件夾下的“地址流”文件夾中選取。 4）選擇不同的Cache容量，包括

21、2KB、4KB、8KB、16KB、32KB、64KB、128KB和256KB。分別執(zhí)行模擬器（單擊“執(zhí)行到底”按鈕即可執(zhí)行），然后在表7.1中記錄各種情況下的不命中率。表7.1 不容量下Cache的不命中率Cache容量(KB)248163264128256不命中率地址流文件名：_。 5）以容量為橫坐標(biāo)，畫出不命中率隨Cache容量變化而變化的曲線，并指明地址流文件名。 6）根據(jù)該模擬結(jié)果，你能得出什么結(jié)論？（2）相聯(lián)度對不命中率的影響 1）用鼠標(biāo)單擊“復(fù)位”按鈕，把各參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值。此時的Cache容量為64KB。 2）選擇一個地址流文件。方法：選擇“訪問地址”>“地址流文件”選項，

22、然后單擊“瀏覽”按鈕，從本模擬器所在文件夾下的“地址流”文件夾中選取。 3）選擇不同的Cache相聯(lián)度，包括2路、4路、8路、16路和32路。分別執(zhí)行模擬器（單擊“執(zhí)行到底”按鈕即可執(zhí)行），然后在表7.2中記錄各種情況下的不命中率。表7.2 當(dāng)容量為64KB時，不同相聯(lián)度下Cache的不命中率相聯(lián)度12481632不命中率地址流文件名：_。 4）把Cache的容量設(shè)置為256KB，重復(fù)3）的工作，并填寫表7.3.表7.3 當(dāng)容量為256KB時，不同相聯(lián)度下Cache的不命中率相聯(lián)度12481632不命中率 5）以相聯(lián)度為橫坐標(biāo)，畫出在64KB和256KB的情況下不命中率隨Cache相聯(lián)度變化而

23、變化的曲線，并指明地址流文件名。 6）根據(jù)該模擬結(jié)果，你能得出什么結(jié)論？（3）Cache塊大小對不命中率的影響1）用鼠標(biāo)單擊“復(fù)位”按鈕，把各參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值。2）選擇一個地址流文件。方法：選擇“訪問地址”>“地址流文件”選項，然后單擊“瀏覽”按鈕，從本模擬器所在文件夾下的“地址流”文件夾中選取。3）選擇不同的Cache塊大小，包括16B、32B、64B、128B和256B。對于 Cache的各種容量，包括2KB、8KB、32KB、64KB、128KB和512KB。分別執(zhí)行模擬器（單擊“執(zhí)行到底”按鈕即可執(zhí)行），然后在表7.4中記錄各種情況下的不命中率。表7.4 各種塊大小情況下Cache的不命中率塊大小(B)Cache容量(KB)2832128512163264128256地址流文件名：_。4）分析Cache塊大