計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì).doc

河北大學(xué)工商學(xué)院計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 學(xué) 部 信息科學(xué)與工程學(xué)部 學(xué)科門類 工學(xué) 專 業(yè) 網(wǎng)絡(luò)工程 班 級 網(wǎng)絡(luò)一班 學(xué) 號 2007480218 姓 名 張楊 2010年 6月20日河北大學(xué)工商學(xué)院計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)目 錄第1章 引言1第2章 WinDLX指令集22.1 WinDLX指令集簡介22.2 WinDLX指令集結(jié)構(gòu)2第3章 WinDLX模擬器33.1 WinDLX模擬器的安裝33.2 WinDLX模擬器的配置33.3 WinDLX運(yùn)行及模擬結(jié)果分析3第4章 基于WinDLX模擬器的流水線模擬與分析44.1 結(jié)構(gòu)相關(guān)44.2 數(shù)據(jù)相關(guān)44.3 指令調(diào)度5第5章 基于SimpleScalar模擬器的Cache性能分析75.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?5.2 SimpleScalar簡介75.3 測試程序分析75.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟75.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析7總結(jié)8參考文獻(xiàn)9第1章 引言 20世紀(jì)70年代初，人們開始認(rèn)識到軟件價(jià)格要比硬件增長的快，編譯器和操作系統(tǒng)越來越大，因此人們希望引入強(qiáng)有力的、基于軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來解決軟件危機(jī)。DEC的VAX系列因而登上歷史舞臺，VAX的設(shè)計(jì)目標(biāo)是簡化高級語言的編譯，其指令集結(jié)構(gòu)就是CISC的典范，有300多條指令，十幾種尋址方式，指令字長度從1字節(jié)到53字節(jié)，具有高度的正交性，甚至允許把高級語言的一條語句直接映射為一條機(jī)器指令。Each instruction in a CISC instruction set might perform a series of operations inside the processor.每個(gè)指令集CISC的指令可能在執(zhí)行處理器系列內(nèi)的行動， This reduces the number of instructions required to implement a given program, and allows the programmer to learn a small but flexible set of instructions.這將減少所需的指令數(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)給定的程序，并允許程序員學(xué)習(xí)一個(gè)小而靈活的指令集。但1991年Bhandarkar和Cark給出了VAX與RISC計(jì)算機(jī)比較后有關(guān)缺點(diǎn)的大量分析，在技術(shù)上宣布了VAX的死刑。20世紀(jì)80年代初，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開始為語言提供高級硬件支持的方向轉(zhuǎn)移出來為了提高CPU的執(zhí)行速度，RISC應(yīng)運(yùn)而生。1975年，IBM 801開始研制，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人John Cocke因此獲得Eckert- Mauchly獎和Turing獎。1980年，Patterson和他在Berkeley的同事們研發(fā)了RISC-1和RISC-2。1981年，Hennessy和他在Stanford的同事們發(fā)表了介紹MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline System）的文章。這些研究成果被工業(yè)界廣泛采用，MIPS系列是RISC的典型代表。20世紀(jì)80年代RISC型CPU誕生了，相對于CISC型CPU ,RISC型CPU不僅精簡了指令系統(tǒng)，還采用了一種叫做“超標(biāo)量和超流水線結(jié)構(gòu)”，大大增加了并行處理能力。1995年左右，設(shè)計(jì)師開始使用高性能通用處理器和科學(xué)應(yīng)用處理器的技術(shù)來設(shè)計(jì)DSP（數(shù)字信號處理）指令集結(jié)構(gòu)，使其有更高的并行度，更快的時(shí)鐘頻率，更簡單的類RISC指令集。由于RISC的指令格式統(tǒng)一，種類比較少，尋址方式也比復(fù)雜指令集少，處理速度提高很多了。因此RISC指令系統(tǒng)更加適合高檔服務(wù)器的操作系統(tǒng)UNIX和Linux。目前在中高檔服務(wù)器中普遍采用RISC指令系統(tǒng)的CPU，特別是高檔服務(wù)器全都采用RISC指令系統(tǒng)的CPU。第 14 頁 共 16 頁第2章 WinDLX指令集2.1 WinDLX指令集簡介在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-量化研究方法一書中，作者定義DLX是世界上第二臺多元未飽和的計(jì)算機(jī)它是當(dāng)今實(shí)驗(yàn)與商業(yè)計(jì)算機(jī)的平均。DLX指令集結(jié)構(gòu)是對當(dāng)前大多數(shù)指令集結(jié)構(gòu)研究的結(jié)果，是一種適合于學(xué)習(xí)和研究的指令集結(jié)構(gòu)模型，不僅僅因?yàn)樗诋?dāng)前十分流行，同時(shí)因?yàn)樗且环N容易理解的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。WinDLX便是一個(gè)基于Windows的DLX模擬器。2.2 WinDLX指令集結(jié)構(gòu)2.2.1 WinDLX的寄存器DLX有32個(gè)32位通用寄存器（GPR），名稱為R0，R1，R2，R31，另外還有一組浮點(diǎn)寄存器（FPR）它們既可以用作32個(gè)32位單精度浮點(diǎn)寄存器，也可以奇偶配對來存儲雙精度浮點(diǎn)數(shù)，即F0和F1構(gòu)成一個(gè)64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)寄存器，F(xiàn)2和F3構(gòu)成一個(gè)64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)寄存器，以此類推。這些64位浮點(diǎn)數(shù)寄存器被命名為F0，F(xiàn)2，F(xiàn)28，F(xiàn)30 這樣，DLX就提供了32個(gè)32位單精度浮點(diǎn)數(shù)寄存器或16個(gè)64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)寄存器。寄存器R0的值永遠(yuǎn)是零。有這樣一個(gè)特點(diǎn)，就可以利用這個(gè)寄存器由簡單指令集來合成一組有用的操作。另外，還有一些特殊用途的寄存器，這些寄存器可以和通用寄存器交換數(shù)據(jù)。2.2.2 WinDLX的數(shù)據(jù)表示DLX能處理的數(shù)據(jù)類型有8位字節(jié)，16位半字、32位整數(shù)字以及32位單精度浮點(diǎn)數(shù)和64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)。DLX處理字符數(shù)據(jù)要使用8字節(jié)，使用16位半字，是因?yàn)樗陬愃艭的語言中出現(xiàn)，在操作系統(tǒng)代碼中半字?jǐn)?shù)據(jù)類型也很流行，使用32位整數(shù)字，是因?yàn)镈LX認(rèn)為32位整數(shù)的處理范圍一般而言已經(jīng)足夠；之所以有32位單精度浮點(diǎn)數(shù)，是因?yàn)楹?6位半字同樣的理由；之所以有64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)，是因?yàn)楹?2位整數(shù)同樣的理由。DLX的操作主要面向32位整數(shù)以及32位或64位浮點(diǎn)數(shù)。字節(jié)或半字在被調(diào)入32位寄存器時(shí)，用零或者符號位填充32位寄存器的高位剩余部分，一旦被調(diào)入寄存器，它們將按照32位整數(shù)的方式進(jìn)行計(jì)算。2.2.3 WinDLX的尋址方式利用R0寄存器永遠(yuǎn)為零的特性，DLX用很少的硬件代價(jià)，提供了5種尋址方式。它們是：寄存器尋址方式；立即數(shù)尋址方式（立即數(shù)范圍為16位）；位移尋址方式（某寄存器的值加上位移量形成操作數(shù)的地址）；寄存器間接尋址方式（位移尋址方式中位移量等于0）；直接尋址方式（位移尋址方式中寄存器用R0）。2.2.4 WinDLX指令格式由于DLX的尋址方式較少，因此在指令格式中沒有必要專門設(shè)置尋址方式描述位，可以將其直由于DLX的尋址方式較少，因此在指令格式中沒有必要專門設(shè)置尋址方式描述位，可以將其直指令字長度32位（單字長指令），其中操作碼占6位。I型指令6 5 5 16 操作碼源寄存器目的寄存器立即數(shù)R型指令 6 5 5 5 11操作碼源寄存器1源寄存器2目的寄存器功能碼J型指令 6 26操作碼與PC相加的偏移量I型指令格式主要用來對各種類型數(shù)的存取操作指令編碼，即各種Load指令和Store指令，含義為：從內(nèi)存單元（地址為源寄存器值+立即數(shù)）取數(shù)至目的寄存器；或把源寄存器中值存在內(nèi)存單元（地址為目的寄存器值+立即數(shù)）中；或把立即數(shù)送到目的寄存器中（源寄存器不用）。I型指令格式還用來為分支指令編碼，包括條件分支指令（此時(shí)，立即數(shù)是相對目標(biāo)地址，源寄存器是判斷條件，目的寄存器不用），寄存器跳轉(zhuǎn)指令（此時(shí)，源寄存器里是目標(biāo)地址，目的寄存器不用）和寄存器跳轉(zhuǎn)并連接指令（此時(shí)，源寄存器里是目標(biāo)地址，立即數(shù)為0，目的寄存器也為0，該指令主要用于過程調(diào)用）。R型指令格式主要用來為各種算數(shù)/邏輯運(yùn)算指令編碼，含義為：源寄存器1和源寄存器2進(jìn)行功能碼指定的操作，并把結(jié)果存入目的寄存器中。另外，R型指令還為讀寫特殊寄存器指令和寄存器之間的傳送指令編碼。J型指令格式主要用來為跳轉(zhuǎn)并連接指令（注意不是寄存器跳轉(zhuǎn)并連接指令）和陷阱與異常返回指令編碼。2.2.5 WinDLX指令集DLX指令大致可以分為4大類：加載/存儲、ALU操作、分支與跳轉(zhuǎn)和浮點(diǎn)數(shù)操作。所有通用寄存器GPR和浮點(diǎn)數(shù)寄存器FPR都可作為加載或存儲之用，唯一例外是R0，加載R0是沒有意義的。單精度浮點(diǎn)數(shù)占用一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)寄存器，雙精度浮點(diǎn)數(shù)占用一對浮點(diǎn)數(shù)寄存器。單精度浮點(diǎn)數(shù)與雙精度浮點(diǎn)數(shù)之間的轉(zhuǎn)換必須顯式地進(jìn)行。所有的ALU指令都是寄存器-寄存器指令，包括簡單的算術(shù)和邏輯操作：加、減、與、或、異或和移位，所有這些指令都支持立即數(shù)尋址方式，它帶有一個(gè)16位的符號擴(kuò)展立即數(shù)。LHI（Load High Immediate）操作將立即數(shù)加載到寄存器的高半字，而將低半字設(shè)為0，這使得一個(gè)32位的常數(shù)可以用兩條指令來建立。如上所述，R0經(jīng)常被用來合成通用操作，加載一個(gè)常數(shù)的操作可以由一個(gè)立即數(shù)和一個(gè)源操作數(shù)是R0的加法來實(shí)現(xiàn)，寄存器-寄存器傳送可以通過其中一個(gè)源操作數(shù)是R0的加法來完成（DLX有時(shí)用助記符LI代表加載來指前者，而用MOV來指后者）。 還有比較兩個(gè)寄存器的比較指令（，），如果條件為真，則比較指令將在目的寄存器中放入一個(gè)1（代表真）；否則放入一個(gè)0。由于這些操作都設(shè)置寄存器，因此它們被叫做set-equal，set-not-equal，set-less-than等，同時(shí)這些比較指令也具有立即數(shù)尋址方式。控制由一組跳轉(zhuǎn)指令和一組分支指令來處理。4種跳轉(zhuǎn)指令由指定目的地址的兩種方式和是否進(jìn)行鏈接來區(qū)分。有兩種跳轉(zhuǎn)指令把26位帶符號的位移量加到PC中來確定目的地址；另外兩種跳轉(zhuǎn)指令通過指定包含目的地址的寄存器來確定目的地址。有兩種跳轉(zhuǎn)：簡單跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)并鏈接（用于過程調(diào)用），后者把返回地址下一個(gè)順序指令的地址放入寄存器R31。所有的分支都是有條件的。分支條件由指令確定，可能是測試源寄存器是否為0；寄存器可能含有一個(gè)數(shù)據(jù)或者比較結(jié)果。分支的目標(biāo)地址由16位帶符號位移量和PC值相加的結(jié)果來確定。浮點(diǎn)指令對浮點(diǎn)寄存器進(jìn)行操作，并指出將被使用的操作數(shù)是單精度還是雙精度。MOVF和MOVD分別把一個(gè)單精度（MOVF）或雙精度（MOVD）浮點(diǎn)寄存器的值復(fù)制到另一個(gè)同類型寄存器中。MOVFP2I和MOVI2FP在單精度浮點(diǎn)寄存器和整數(shù)寄存器之間傳送數(shù)據(jù)。把一個(gè)雙精數(shù)據(jù)移到兩個(gè)整數(shù)寄存器中需要兩條指令。另外還有32位浮點(diǎn)寄存器上的整數(shù)乘除法指令和整數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)之間轉(zhuǎn)換的指令。浮點(diǎn)操作包括加、減、乘、除。后綴F表示單精度浮點(diǎn)數(shù)，而后綴D表示雙精度浮點(diǎn)數(shù)。浮點(diǎn)數(shù)比較指令會設(shè)置浮點(diǎn)數(shù)狀態(tài)寄存器中的某一位，可以用兩條分支指令BFPTO（為真分支）和BFPF（為假分支）測試浮點(diǎn)數(shù)狀態(tài)寄存器來決定是否進(jìn)行分支。DLX的一個(gè)不太尋常的特征是它用浮點(diǎn)部件來完成整數(shù)的乘除。因?yàn)閷^慢的浮點(diǎn)數(shù)操作的控制要比控制整數(shù)的加減復(fù)雜得多，既然浮點(diǎn)部件已經(jīng)可以處理浮點(diǎn)乘除，那么再讓它處理相對較慢的整數(shù)乘除也并不困難。因此，DLX要求把乘除的操作數(shù)放入浮點(diǎn)寄存器中。第3章 WinDLX模擬器3.1 WinDLX模擬器的安裝 WinDLX 包含windlx.exe和windlx.hlp文件。此外，還需要一些擴(kuò)展名為.s的匯編代碼文件。實(shí)驗(yàn)將使用fact.s 和input.s這兩個(gè)匯編代碼文件。WinDLX的安裝非常簡單，將WinDLX壓縮包解壓到一個(gè)指定的目錄，做實(shí)驗(yàn)時(shí)直接雙擊WinDLX圖標(biāo)就可進(jìn)入Windlx模擬器。3.2 WinDLX模擬器的配置WinDLX可以在多種配置下工作?？梢愿淖兞魉€的結(jié)構(gòu)和時(shí)間要求、存儲器大小和其他幾個(gè)控制模擬的參數(shù)。點(diǎn)擊Configuration / Floating Point Stages（點(diǎn)擊Configuration打開菜單，然后點(diǎn)擊Floating Point Stages菜單項(xiàng)），選擇如下標(biāo)準(zhǔn)配置：UNITCOUNTDELAYAddition Units:12Multiplication Units:15Division Units:119如果需要，可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)區(qū)域來改變設(shè)置。然后，點(diǎn)擊OK返回主窗口。點(diǎn)擊 Configuration/Memory Size ，可以設(shè)置模擬處理器的存儲器大小。應(yīng)設(shè)置為0x8000，然后，點(diǎn)擊OK返回主窗口。在Configuration 菜單中的其他三個(gè)配置也可以設(shè)置，它們是：Symbolic addresses，Absolute Cycle Count和Enable Forwarding。 點(diǎn)擊相應(yīng)菜單項(xiàng)后，在它的旁邊將顯示一個(gè)小鉤。3.3 WinDLX運(yùn)行及模擬結(jié)果分析在開始模擬之前，至少應(yīng)裝入一個(gè)程序到主存。我們選擇fact.s作為例子，fact.s計(jì)算一個(gè)整型值的階乘，它的運(yùn)行還需要一個(gè)輔助文件input.s， input.s中包含一個(gè)子程序，它讀標(biāo)準(zhǔn)輸入（鍵盤）并將值存入DLX處理器的通用寄存器R1中。為此，選擇File/Load Code or Data，窗口中會列出目錄中所有匯編程序。按如下步驟操作，可將這兩個(gè)文件裝入主存。 點(diǎn)擊 fact.s ，點(diǎn)擊 select 按鈕 ，點(diǎn)擊 input.s ，點(diǎn)擊 select按鈕 ，點(diǎn)擊 load按。鈕選擇文件的順序很關(guān)鍵，它決定了文件在存儲器中出現(xiàn)的順序。對話框中會顯示信息“File(s) loaded successfully. Reset DLX?”，點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕。這樣，文件就已被裝入到主存儲器中了。現(xiàn)在就可以開始模擬工作了。第4章 基于WinDLX模擬器的流水線模擬與分析4.1 控制相關(guān)4.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本實(shí)驗(yàn)，加深對結(jié)構(gòu)相關(guān)的理解，了解結(jié)構(gòu)相關(guān)對CPU性能的影響。4.1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 用WinDLX模擬器運(yùn)行程序structure_d.s 。2. 通過模擬，找出存在結(jié)構(gòu)相關(guān)的指令對以及導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相關(guān)的部件。3 由結(jié)構(gòu)相關(guān)引起的暫停時(shí)鐘周期數(shù)，計(jì)算暫停時(shí)鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。4論述結(jié)構(gòu)相關(guān)對CPU性能的影響，討論解決結(jié)構(gòu)相關(guān)的方法。4.1.3 實(shí)驗(yàn)原理結(jié)構(gòu)相關(guān)是指因?yàn)槌绦虻膱?zhí)行方向可能被改變而引起的相關(guān)?？赡芨淖兂绦驁?zhí)行方向的指令通常有無條件轉(zhuǎn)移、一般條件轉(zhuǎn)移、復(fù)合條件轉(zhuǎn)移、子程序調(diào)用、中斷等。1 無條件轉(zhuǎn)移無條件轉(zhuǎn)移指令一般能夠在指令分析器中就執(zhí)行完成，因此一般對指令執(zhí)行部件的工作不會造成影響。2 條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移指令有兩種：一般條件轉(zhuǎn)移指令和復(fù)合條件轉(zhuǎn)移指令。對于一般條件轉(zhuǎn)移指令，相關(guān)最嚴(yán)重的情況發(fā)生在條件碼是上一條指令產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)移不成功對先行控制器的影響不大，而轉(zhuǎn)移成功時(shí)，不僅指令執(zhí)行過程變成了完全串行，而且要作廢已經(jīng)取到先行指令緩沖棧中的大量指令，從而白白增加了處理機(jī)與主存之間的通信量。對于復(fù)合條件轉(zhuǎn)移指令，如果轉(zhuǎn)移不成功，則就象一條普通的運(yùn)算型指令一樣。如果轉(zhuǎn)移成功，不僅要全部或部分作廢先行指令緩沖棧中已經(jīng)預(yù)取的指令，還可能要作廢先行操作棧中的指令和先行讀數(shù)棧中的操作數(shù)，作廢當(dāng)前在指令分析器中分析的指令。4.1.4 控制相關(guān)下WinDLX配置1Statistics 窗口：將待運(yùn)行程序裝入主存后按F5使程序完成執(zhí)行，出現(xiàn)消息Trap #0 occurred 表明最后一條指令 trap 0 已經(jīng)執(zhí)行， Trap指令中編號“0”沒有定義，只是用來終止程序。雙擊圖標(biāo)Statistics。Statistics 窗口提供各個(gè)方面的信息：模擬中硬件配置情況、暫停及原因、條件分支、 Load/Store指令、浮點(diǎn)指令和traps。窗口中給出事件發(fā)生的次數(shù)和百分比。2WinDLX可以在多種配置下工作。你可以改變流水線的結(jié)構(gòu)和時(shí)間要求、存儲器大小和其他幾個(gè)控制模擬的參數(shù)。點(diǎn)擊 Configuration / Floating Point Stages（點(diǎn)擊Configuration打開菜單，然后點(diǎn)擊Floating Point Stages菜單項(xiàng)），選擇如下標(biāo)準(zhǔn)配置：CountDelayAddition Units:12Multiplication Units:15Division Units:119點(diǎn)擊 Configuration / Memory Size ，可以設(shè)置模擬處理器的存儲器大小。應(yīng)設(shè)置為0x8000，然后，點(diǎn)擊 OK 返回主窗口。在 Configuration 菜單中的其他三個(gè)配置也可以設(shè)置，它們是：Symbolic addresses, Absolute Cycle Count 和 Enable Forwarding。 點(diǎn)擊相應(yīng)菜單項(xiàng)后， 在它的旁邊將顯示一個(gè)小鉤。4.1.5實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將Configuration / Memory Size菜單選項(xiàng)中的設(shè)置按4.1.5控制相關(guān)下WinDLX的配置更改，在flie菜單中選擇really reset all windlx completely ，隨后選擇load code or data 裝入structure_d.點(diǎn)load。將待運(yùn)行程序裝入主存后按F5使程序完成執(zhí)行，出現(xiàn)消息Trap