WinDLX实验指导书

计算机系统结构实验指导手册

李静梅、吴艳霞

哈尔滨工程大学

目 录

1.实验内容 ............................................................................................................................ 1 1.1实验一 流水线中的相关 ............................................................................................. 1 1.2实验二 循环展开及指令调度 ..................................................................................... 3 2.模拟器安装方法 ................................................................................................................ 4 3.演示例程 ............................................................................................................................ 4 3.1 配置WinDLX .............................................................................................................. 4 3.2 装载测试程序 .............................................................................................................. 5 3.3 模拟步骤 ...................................................................................................................... 5 4.WINDLX汇编语言简介 ....................................................................................................... 8 5. WINDLX汇编语言语言示例 .............................................................................................. 10 5.1 数据定向和结构相关例程 ........................................................................................ 10 5.2 指令再定序例程 ........................................................................................................ 11 6.大作业封面模板 .............................................................................................................. 13 7.DLX 指令集 ....................................................................................................................... 14

1.实验内容

1.1实验一 流水线中的相关

实验目的

1. 熟练掌握WinDLX模拟器的操作和使用，熟悉DLX指令集结构及其特点； 2. 加深对计算机流水线基本概念的理解；

3. 进一步了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作；

4. 加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对CPU性能的影响；

5. 了解解决数据相关的方法，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。

实验平台

WinDLX模拟器

实验内容和步骤

（做实验前请先认真阅读WinDLX教程）

1. 用WinDLX模拟器执行下列三个程序（任选一个）：

? 求阶乘程序fact.s

? 求最大公倍数程序gcm.s ? 求素数程序prim.s

分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序，观察程序在流水线中的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容。熟练掌握WinDLX的操作和使用。

注意：fact.s中调用了input.s中的输入子程序。load程序时，要两个程序一起装入（都select后再点击load）。gcm.s也是如此。

2. 用WinDLX运行程序structure_d.s，通过模拟：

? 找出存在结构相关的指令对以及导致结构相关的部件；

? 记录由结构相关引起的暂停时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比； ? 论述结构相关对CPU性能的影响，讨论解决结构相关的方法。

3. 在不采用定向技术的情况下（去掉Configuration菜单中Enable Forwarding选项前的勾选符），

用WinDLX运行程序data_d.s。记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的总时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。 4. 在采用定向技术的情况下（勾选Enable Forwarding），用WinDLX再次运行程序data_d.s。重复

上述3中的工作，并计算采用定向技术后性能提高的倍数。

预备知识

1. WinDLX

WinDLX模拟器是一个图形化、交互式的DLX流水线模拟器，能够演示DLX流水线是如何工作的。该模拟器可以装载DLX汇编语言程序（后缀为“.s”的文件），然后单步、设断点或是连续执行该程序。CPU的寄存器、流水线、I/O和存储器都可以用图形表示出来，以形象生动的方式描述DLX流水线的工作过程。模拟器还提供了对流水线操作的统计功能，便于对流水线进行性能分析。 有关WinDLX的详细介绍，见WinDLX教程。

2. 熟悉WinDLX指令集和WinDLX源代码的编写

3. 复习和掌握教材中相应的内容

1

（1）DLX基本流水线

（2）流水线的结构相关与数据相关

? 结构相关：当指令在重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，发生资源冲突时，将产生“结构相关”。

? 数据相关：当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠执行时，就可能引起“数据相关”。

（3）定向技术的主要思想：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。

2

1.2实验二 循环展开及指令调度

实验目的

1. 加深对循环级并行性、指令调度技术、循环展开技术以及寄存器换名技术的理解； 2. 熟悉用指令调度技术来解决流水线中的数据相关的方法； 3. 了解循环展开、指令调度等技术对CPU性能的改进。

实验平台

WinDLX模拟器

实验内容和步骤

1．用指令调度技术解决流水线中的结构相关与数据相关 （1） 用DLX汇编语言编写代码文件*.s，程序中应包括数据相关与结构相关（假设：加法﹑乘

法﹑除法部件各有2个，延迟时间都是3个时钟周期） （2） 通过Configuration菜单中的 “Floating point stages” 选项，把加法﹑乘法﹑除法部件的

个数设置为2个，把延迟都设置为3个时钟周期； （3） 用WinDLX运行程序。记录程序执行过程中各种相关发生的次数、发生相关的指令组合，

以及程序执行的总时钟周期数； （4） 采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除相关； （5） 用WinDLX运行调度后的程序，观察程序在流水线中的执行情况，记录程序执行的总时钟

周期数； （6） 根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。论述指令调度对于提高CPU性能的意义。

2. 用循环展开、寄存器换名以及指令调度提高性能 （1） 用DLX汇编语言编写代码文件*.s，程序中包含一个循环次数为4的整数倍的简单循环； （2） 用WinDLX运行该程序。记录执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期

数； （3） 将循环展开3次，将4个循环体组成的代码代替原来的循环体，并对程序做相应的修改。

然后对新的循环体进行寄存器换名和指令调度； （4） 用WinDLX运行修改后的程序，记录执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时

钟周期数； （5） 根据记录结果，比较循环展开、指令调度前后的性能。

预备知识

1. WinDLX模拟器的相关知识。详见相关的文档。 2. 复习和掌握教材中相应的内容 （1） 循环级并行性 （2） 指令调度 （3） 循环展开 （4） 寄存器换名

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