計算機組成原理實驗指導書(共14頁)

1、計算機組成(z chn)原理實驗指導書軟件(run jin)學院2015.9實驗報告要求(yoqi)該實驗為計算機組成原理課程(kchng)的仿真訓練項目，包括實驗1-5，每個實驗6分，共30分，計入最終考核成績。二、每人每個實驗寫一份實驗報告。要求在熟悉仿真軟件和相關理論知識的基礎上，按照實驗步驟，認真觀察實驗結果數(shù)據(jù)，做好記錄或截圖，并對結果進行分析，最后總結實驗中遇到的問題和解決方法，寫出實驗心得體會。三、每個實驗應在相對應的理論知識講授完畢后進行，實驗完成后以答辯形式組織考核打分。實驗報告需要同時上交電子版和A4紙打印版，封面參考附件。附件(fjin)計算機組成(z chn)原理實驗報

2、告學院(xuyun)（系）： 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 姓 名： 年 月 日實驗(shyn)1 Cache模擬器的實現(xiàn)(shxin)一.實驗目的(1)加深對Cache的基本概念、基本組織結構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。二、實驗內(nèi)容和步驟1、啟動CacheSim。2、根據(jù)課本上的相關知識，進一步熟悉Cache的概念和工作機制。3、依次輸入以下參數(shù)：Cache容量、塊容量、映射方式、替換策

3、略和寫策略。Cache容量塊容量映射方式替換策略寫策略256KB8 Byte直接映射-64KB32 Byte4路組相聯(lián)LRU-64KB32 Byte4路組相聯(lián)隨機-8KB64 Byte全相聯(lián)LRU-4、讀取cache-traces.zip中的trace文件。5、運行程序(chngx)，觀察cache的訪問(fngwn)次數(shù)、讀/寫次數(shù)(csh)、平均命中率、讀/寫命中率。思考：1、Cache的命中率與其容量大小有何關系？ 2、Cache塊大小對不命中率有何影響？ 3、替換算法和相聯(lián)度大小對不命中率有何影響？三.實驗結果分析四.實驗心得實驗2 運算器的編程實現(xiàn)一、實驗目的1、加深對計算機中運算器

4、的基本概念、運算方法和基本原理的理解。2、提高學生對計算機編程語言掌握的熟練程度。二、實驗內(nèi)容運用一種編程語言實現(xiàn)計算器的基本功能。思考：1、計算機中數(shù)據(jù)是如何表示的？ 2、計算機中二進制數(shù)的加、減、乘、除四則運算如何實現(xiàn)？ 3、運算器的基本結構和功能有哪些？三.實驗(shyn)結果(ji gu)分析四.實驗(shyn)心得實驗3 MIPS指令系統(tǒng)和MIPS體系結構一.實驗目的（1）了解和熟悉指令級模擬器（2）熟悉掌握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體系結構二. 實驗內(nèi)容和步驟首先要閱讀MIPSsim模

5、擬器的使用方法，然后了解MIPSsim的指令系統(tǒng)。（1）、啟動MIPSsim。（2）、選擇“配置(pizh)”-“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(shumng)，熟悉MIPSsim模擬器的操作和使用方法。（4）、選擇(xunz)“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。（5）、查看“寄存器”窗口PC寄存器的值：PC= 。（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 ，是一條 (有，無)符號載入 (字節(jié)，半字，字)指令。3)單步執(zhí)行一條指令（

6、F7）。4)查看R1的值，R1= 。5)下一條指令地址為 ，是一條 (有，無)符號載入 (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= 。 8)下一條指令地址為 ，是一條 (有，無)符號載入 (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= 。 11)單步執(zhí)行1條指令。 12)下一條指令地址為 ，是一條保存 (字節(jié)，半字，字)指令。 13）單步執(zhí)行一條指令。 14）查看內(nèi)存BUFFER處字的值，值為 。 (7)、執(zhí)行算術運算類指令。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。

7、3）單步執(zhí)行一條指令。 4）下一條指令地址為 ，是一條加法指令。 5）單步執(zhí)行一條(y tio)指令。 6）查看(chkn)R3的值，R3= 。 7）下一條指令(zhlng)地址為 ，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= ，HI= 。(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“寄存器”窗口中的R2，將其值修改為0XFF00FF00。3）單步執(zhí)行一條指令。4）下一條指令地址為 ，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

8、，R3= 。7）下一條指令地址為 ，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，立即數(shù)尋址）。8）單步執(zhí)行一條指令。9）查看R3的值，R3= 。(9)、執(zhí)行控制轉移類指令。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。 3）單步執(zhí)行一條指令。 4）下一條指令地址為 ，是一條BEQ指令,其測試條件是 。 5) 單步執(zhí)行1條指令。 6) 查看PC的值，PC= ，表明分支 （成功，失?。?。 7) 一條指令是一條BGEZ指令，其測試條件是 ，目標地址為 。 8) 單步(dn b)執(zhí)行1條指令(zhlng)。 9) 查看(chk

9、n)PC的值，PC= ，表明分支 (成功，失?。?。 10) 下一條指令是一條BGEZAL指令，其測試條件是 ，目標地址為 。 11) 單步執(zhí)行1條指令。 12) 查看PC的值，PC= ，表明分支 （成功，失?。徊榭碦31的值，R31= 。 13) 單步執(zhí)行1條指令。 14）查看R1的值，R1= 。 15）下一條指令地址為 ，是一條JALR指令，保存目標地址的寄存器為R1 ，保存返回地址的目標寄存器為R3。 16）單步執(zhí)行1條指令。 17）查看PC和R3的值，PC= ，R3= 。三、實驗結果分析四.實驗心得實驗4 流水線及流水線中的沖突一.實驗目的 （1）理解計算機流水線基本概念。（2）理解M

10、IPS結構如何用5段流水線來實現(xiàn)。（3）理解各段的功能和基本操作。（4）加深對數(shù)據(jù)沖突、結構沖突的理解，理解這兩類沖突對CPU性能的影響。（5）進一步理解解決數(shù)據(jù)沖突的方法，掌握如何應用定向技術來減少數(shù)據(jù)沖突引起(ynq)的停頓。二.實驗(shyn)內(nèi)容和步驟（1）、啟動(qdng)MIPSsim。（2）、根據(jù)預備知識中關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。（用鼠標雙擊各段，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。(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

11、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。 2）關閉定向功能。這是通過“配置”“定向”。 3）用單步執(zhí)行一個周期的方式執(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: ID： EX： MEM： 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： IF/ID.NPC： ID/EX.A： ID/EX.B： ID/EX.IR： ID/EX.Imm： EX/

12、MEM.ALUo： EX/MEM.IR： MEM/WB.LMD： MEM/WB.ALUo： MEM/WB.IR： (7)、觀察和分析結構沖突對CPU性能的影響，步驟(bzhu)如下： 1）加載structure_hz.s。2）執(zhí)行該程序(chngx)，找出存在結構沖突的指令對以及導致結構沖突的部件。3）記錄由結構沖突引起的停頓時鐘周期(zhuq)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）再次重復步驟1）-步驟3）的工作。6）分析結構沖突對CPU性能的影響，討論解決結構沖突的方法。 (8)、 觀察數(shù)據(jù)沖突并用定向技術來減少停頓，步驟如下： 1）全部復位。

13、2）加載data_hz.s。 3）關閉定向功能。4）單步執(zhí)行一個周期，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)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）復位CPU。 7）打開定向功能。8）單步執(zhí)行一個周期，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）的結果進行比較。 9）記錄由數(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(jsh)后的性能是原來的幾倍。三.實驗(shyn)結果(ji gu)分析四.實驗心得實驗5 指令調度和延遲分支一.實驗目的

14、（1）加深對指令(zhlng)調度技術的理解。（2）加深對延遲分支(fnzh)技術的理解。（3）熟練掌握用指令調度技術解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突(chngt)的方法。（4）進一步理解指令調度技術對CPU性能的改進。（5）進一步理解延遲分支技術對CPU性能的改進。二.實驗內(nèi)容和步驟:(1)、啟動MIPSsim。(2)、根據(jù)前面的相關知識中關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。(3)、選擇“配置”-“流水方式”選項，使模擬器工作于流水方式下。(4)、用指令調度技術解決流水線中的數(shù)據(jù)沖突。 1）啟動MIPSsim。 2）加載schedule.s。 3）關閉定

15、向功能。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)采用指令調度技術對程序進行指令調度，消除沖突。將調度后的程序存到after-schedule.s中。 6)載入after-schedule.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)記錄結果，比較調度前和調度后的性能。論述指令調度對于提高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）關閉延遲分支功能。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(jish)延遲槽有1個，對branch.s進行指令調度，然后(rnhu)保存到“delayed-branch.s”中。7）載入delayed-branch.s。 8）打開延遲(ynch)分支功能。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)記錄結果，比較沒采用延遲分支和采用了延遲分