【文档说明】计算机体系结构课程实验课件.ppt，共(29)页，894.500 KB，由小橙橙上传

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计算机体系结构课程实验——流水线篇12019-3-162019-3-16第1页，共29页。主要内容实验目的实验原理实验平台WinDLX实验内容实验步骤实验要求2ComputerArchitecture---Pipeline第2页，共29页。实验目的通过该模拟实验

，进一步掌握和巩固的流水线基本知识;初步掌握在特定体系结构下的汇编代码的编写和优化；培养运用所学知识解决实际问题的能力。3ComputerArchitecture---Pipeline第3页，共29页。实验原理（1/4）流水线执行过

程指令1IF(取指)ID(译码)EX(执行)MEM(访存)WB(写回)指令2指令3指令4执行时间4ComputerArchitecture---Pipeline第4页，共29页。实验原理（2/4）流水线中的相关问题结构相关数据相关RAW/WAR/WAW

控制相关硬件资源不够条件分支或跳转指令5ComputerArchitecture---Pipeline第5页，共29页。实验原理（3/4）定向技术在发生数据相关时，等待前面计算结果的指令并不一定真的马上就用到该计算结果，如果

能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要它的地方，就可以避免暂停。循环展开是一种牺牲程序的尺寸来加快程序的执行速度的优化方法。可以由程序员完成，也可由编译器自动优化完成。循环展开通过将循环体代码复制多次实现。循环展开能够增大指令调度的空间，减少循环分

支指令的开销。循环展开可以更好地实现数据预取技术。6ComputerArchitecture---Pipeline第6页，共29页。实验原理（4/4）流水线性能评价加速比吞吐率效率7ComputerArchitecture---Pipeline第7页，共29页。实

验平台——WinDLX8ComputerArchitecture---Pipeline第8页，共29页。实验平台WinDLX的使用步骤安装配置浮点段配置存储器配置模拟代码载入程序推进机器状态的查看9ComputerArchi

tecture---Pipeline第9页，共29页。WinDLX模拟器安装WinDLX包含windlx.exe和windlx.hlp文件。同时，还需要一些扩展名为.s的汇编代码文件。本次实验课将使用fact.s和input.s这两个汇编代码文件。WinDLX的安装非常简单，只要将WinD

LX1.3文件夹拷贝到一个不含中文路径的目录下即可，假设将其拷贝到D盘下，然后双击执行里面的windlx.exe，就可进入Windlx模拟器。10ComputerArchitecture---Pipelin

e第10页，共29页。开始和配置WinDLX为了初始化模拟器,点击File菜单中的Resetall菜单项，弹出一个“ResetDLX”对话框。然后点击窗口中的“确认”按钮即可。11ComputerArchitecture---Pipel

ine第11页，共29页。开始和配置WinDLXWinDLX可以在多种配置下工作。可以改变流水线的结构和时间要求、存储器大小和其他几个控制模拟的参数。12ComputerArchitecture---Pipeline第12页，共29页。装载测试程序在开始模

拟之前，至少应装入一个程序到主存。我们选fact.s为例，fact.s计算一个整型值的阶乘；它的运行还需要一个辅助文件input.s，input.s中包含一个子程序，它读标准输入（键盘）并将值存入DLX处理器的通用寄存器R1中。按如下步骤操作，可将这两个文件

装入主存。为此，选择File/LoadCodeorData，窗口中会列出目录中所有汇编程序。按如下步骤操作，可将这两个文件装入主存。13ComputerArchitecture---Pipeline第13页，共29页。装载测试程序点击fact.s点击s

elect按钮点击input.s点击select按钮点击load按钮选择文件的顺序很关键，它决定了文件在存储器中出现的顺序。对话框中会显示信息“File(s)loadedsuccessfully.ResetDLX?”，点击“是”按钮确认。这样，文件就已被装入到主存储器中了。

14ComputerArchitecture---Pipeline第14页，共29页。Pipeline窗口DLX执行指令的流水线是一个5段流水线，包括取指段（IF）、译码段（ID）、执行段（EX）、访存段（MEM）和写回段（WB）。15ComputerArchitecture--

-Pipeline第15页，共29页。Code窗口Code窗口显示的内容是两个程序（fact.s和input.s）加载到内存中的情况。从左到右依次为：地址(符号或数字)、命令的十六进制机器代码和汇编

命令。16ComputerArchitecture---Pipeline第16页，共29页。ClockCycleDiagram窗口它显示流水线的时空图。17ComputerArchitecture---Pipeline第17页，共29页。ClockCycleDiagram窗口

在Clockcyclediagram窗口中，有时候还可以看到在指令之间出现了红和绿的箭头。红色箭头表示需要一个暂停，箭头指向处显示了暂停的原因。R-Stall（R-暂停）表示引起暂停的原因是RAW。绿色箭头表示定向技术的使用。18Com

puterArchitecture---Pipeline第18页，共29页。Breakpoint窗口当重复按F7执行代码很枯燥时，我们可以通过设置断点来加快此过程。该窗口详细的显示了我们设置的断点的信息。19ComputerArchitecture-

--Pipeline第19页，共29页。Register窗口DLX的全部寄存器及其内容。20ComputerArchitecture---Pipeline第20页，共29页。Statistics窗口Stati

stics窗口提供各个方面的信息：模拟中硬件配置情况、暂停及原因、条件分支、Load/Store指令、浮点指令和traps。窗口中给出事件发生的次数和百分比，如RAWstalls：17(7.91%ofallCycles)。21ComputerArch

itecture---Pipeline第21页，共29页。DLX的汇编语法DLX的汇编语法（1/2）伪指令.data[address].text[address].globallabel.wordword1,word2,….sp

acesize.double常数、运算符…………指令访存类、寄存器操作、算术类、逻辑类、控制流转移WinDLX的Trap机制一般地，指令（code）均被导入$CODE（起始地址为0x100）而数据（dat

a）则被导入$DATA（起始地址为0x1000）22ComputerArchitecture---Pipeline第22页，共29页。DLX汇编的例子DLX的汇编语法（2/2）例子.dataadder1:.wor

d7adder2:.word16result:.space4.text.globalmainmain:lwr2,adder1lwr3,adder2addr1,r2,r3swresult,r1trap0;finish23Comput

erArchitecture---Pipeline第23页，共29页。实验内容（1/2）3×3矩阵乘法编写矩阵积源程序；手工优化。例如：在流水线各种资源配置下观察程序运行状态。lwr3,adder1addr

1,r2,r3addr5,r6,r7lwr3,adder1addr5,r6,r7addr1,r2,r324ComputerArchitecture---Pipeline第24页，共29页。实验内容（2/2）观察程序中出现的数据/控制/结构相关，指出导致上述现象的指令组合考察增加定向（forw

arding）部件对性能的影响观察转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销手工优化程序（没有分支延迟槽）分析程序的吞吐率、加速比和效率25ComputerArchitecture---Pipeline第25页，共29

页。实验步骤学习WinDLX软件使用；学习DLX汇编程序的编写；编写3×3矩阵乘法汇编源程序；将程序在WinDLX上运行调试；观察程序中出现的数据/控制/结构相关；优化代码（在有定向功能和无定向功能两种情况下），尽量消除相关引起的暂

停；对优化后的代码重新模拟，并观察优化效果；分析实验结果，书写实验报告。26ComputerArchitecture---Pipeline第26页，共29页。实验要求实验报告要求包括：1.程序源代码2.实

验结果、实验分析、优化过程、性能分析3.简单谈谈自己对流水线技术的认识提交形式:实验源代码+实验报告（Word编辑）文件夹命名格式：学号1_姓名1（例如：04060006_邓明堂）27ComputerArchite

cture---Pipeline第27页，共29页。检查方式查看代码查看运行解释各种相关发生的情况及优化手段查看统计信息28ComputerArchitecture---Pipeline第28页，共29页。谢谢292019-3-162019-3

-16第29页，共29页。