计算机系统结构实验报告
专业：计算机科学与技术指导老师：雷咏梅
姓名：钱成浩
学号： 12121469
计算机工程与科学学院
实验二多核环境下OpenMP并行编程实验2-1. OpenMP程序的编译和运行
1.实验目的
1) 在Linux平台上编译和运行OpenMP程序；
2) 在Windows平台上编译和运行OpenMP程序。
3) 掌握OpenMP并行编程基础。
2.实验环境
1) 硬件环境：i5双核四线程pc机
2) 软件环境：centos6+gcc，以及win8.1+Visual Studio2013
3.运行内容
代码如下：
#include
#include
int main()
{
intnthreads,tid;
omp_set_num_threads(8);
#pragma omp parallel private(nthreads,tid)
{
tid=omp_get_thread_num();
printf("Hello World from OMP thread %d\n",tid);
if(tid==0)
{
nthreads=omp_get_num_threads();
printf("Number of threads is %d\n",nthreads);
}
}
}
4.运行结果linux
Windows
实验2-2 矩阵乘法的OpenMP 实现及性能分析
1. 实验目的
1) 用OpenMP 实现最基本的数值算法“矩阵乘法”
2) 掌握for 编译制导语句
3) 对并行程序进行简单的性能调优
2. 实验要求
1） 运行并测试OpenMP 编写两个n 阶的方阵a 和b 的相乘程序，结果存放在方阵c 中，其中乘法用for 编译制导语句实现并行化操作，并调节for 编译制导中schedule 的参数，使得执行时间最短。要求在window 环境（不用虚拟机），在linux 环境（用和不用虚拟机情况下）测试程序的性能，并写出详细的分析报告。
3. 实验内容
1.用OpenMP 编写两个n 阶的方阵a 和b 的相乘程序，结果存放在方阵c 中，其中乘法用for 编译制导语句实现并行化操作，并调节for 编译制导中schedule 的参数，使得执行时间最短，写出代码。
方阵a 和b 的初始值如下：
????????????????????-++++=12,...,2,1,..2,...,5,4,31,...,4,3,2,...,3,2,1n n n n n n n a ?????????
???????????=1,...,1,1,1..1,...,1,1,11,...,1,1,11,...,1,1,1b 输入：
方阵的阶n 、并行域的线程数
输出：
c 中所有元素之和、程序的执行时间
提示：
a,b,c 的元素定义为int 型，c 中所有元素之和定义为long long 型。
Windows 计时:
用
在windows下使用Microsofe Visual Studio编程，源代码如下：
#include
#include
#include
void comput(float* A, float* B, float* C)//两个矩阵相乘传统方法
{
int x, y;
for (y = 0; y<4; y++)
{
for (x = 0; x<4; x++)
{
C[4 * y + x] = A[4 * y + 0] * B[4 * 0 + x] + A[4 * y + 1] * B[4 * 1 + x] + A[4 * y + 2] * B[4 * 2 + x] + A[4 * y + 3] * B[4 * 3 + x];
}
}
}
int main()
{
double duration;
clock_t s, f;
int x = 0;
int y = 0;
int n = 0;
int k = 0;
float A[] = { 1, 2, 3, 4,
5, 6, 7, 8,
9, 10, 11, 12,
13, 14, 15, 16 };
float B[] = { 0.1f, 0.2f, 0.3f, 0.4f,
0.5f, 0.6f, 0.7f, 0.8f,
0.9f, 0.10f, 0.11f, 0.12f,
0.13f, 0.14f, 0.15f, 0.16f };
float C[16];
s = clock();
//#pragma omp parallel if(false)
for (n = 0; n<1000000; n++)
{
comput(A, B, C);
}
f = clock();
duration = (double)(f - s) / CLOCKS_PER_SEC;
printf("s---1,000,000 :%f\n", duration);
for (y = 0; y<4; y++)
{
for (x = 0; x<4; x++)
{
printf("%f,", C[y * 4 + x]);
}
printf("\n");
}
printf("\n======================\n");
s = clock();
//parallel 2
#pragma omp parallel for
for (n = 0; n<2; n++)////CPU是核线程的
{
for (k = 0; k<500000; k++)//每个线程管个循环
{
comput(A, B, C);
}
}
f = clock();
duration = (double)(f - s) / CLOCKS_PER_SEC;
printf("p2- 1,000,000:%f\n", duration);
//parallel 3
s = clock();
#pragma omp parallel for
for (n = 0; n<4; n++) //CPU是核线程的
{
for (k = 0; k<250000; k++)//每个线程管个循环
{
comput(A, B, C);
}
}
f = clock();
duration = (double)(f - s) / CLOCKS_PER_SEC;
printf("p3- 1,000,000:%f\n", duration);
//parallel 1
s = clock();
#pragma omp parallel for
for (n = 0; n<1000000; n++)
{
comput(A, B, C);
}
f = clock();
duration = (double)(f - s) / CLOCKS_PER_SEC;
printf("p1- 1,000,000 :%f\n", duration);
for (y = 0; y<4; y++)
{
for (x = 0; x<4; x++)
{
printf("%f,", C[y * 4 + x]);
}
printf("\n");
}
getchar();
return 0;
}
4. 运行结果
Linux（shell中运行）
Windows 线程为2
线程为4
线程为8
2）请自己找一个需要大量计算但是程序不是很长的程序，实现OMP的多线程并行计算，要求写出并行算法，并分析并行的效果（注：必须核对串行和并行的计算结果，保证正确性）运行代码：
代码分析：
这是一个计算y=x*x函数中x=2处点的导数的程序。
并行程序运行时间短，速度快，能够有效的利用内存。其他的算法太繁杂，需要太多循环运行截图：
实验二结构相关 一、实验目得: 通过本实验,加深对结构相关得理解,了解结构相关对CPU性能得影响。 二、实验内容: 1、用WinDLX模拟器运行程序structure_d、s 。 2、通过模拟,找出存在结构相关得指令对以及导致结构相关得部件。 3、记录由结构相关引起得暂停时钟周期数,计算暂停时钟周期数占总执行 周期数得百分比。 4、论述结构相关对CPU性能得影响,讨论解决结构相关得方法。 三、实验程序structure_d、s LHI R2, (A>>16)&0xFFFF 数据相关 ADDUI R2, R2, A&0xFFFF LHI R3, (B>>16)&0xFFFF ADDUI R3, R3, B&0xFFFF ADDU R4, R0, R3 loop: LD F0, 0(R2) LD F4, 0(R3) ADDD F0, F0, F4 ;浮点运算,两个周期,结构相关 ADDD F2, F0, F2 ; < A stall is found (an example of how to answer your questions) ADDI R2, R2, #8 ADDI R3, R3, #8 SUB R5, R4, R2 BNEZ R5, loop ;条件跳转 TRAP #0 ;; Exit < this is a ment !! A: 、double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 B: 、double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 四、实验过程 打开软件,load structure_d、s文件,进行单步运行。经过分析,此程序一 次循环中共有五次结构相关。(Rstall 数据相关Stall 结构相关) 1)第一个结构相关:addd f2,,f0,f2 由于前面得数据相关,导致上一条指令addd f0,f0,f4暂停在ID阶段,所以下一条指令addd f2,,f0,f2发生结构相关,导致相关得部件:译码部件。
实验二指令流水线相关性分析 ·实验目的 通过使用WINDLX模拟器，对程序中的三种相关现象进行观察，并对使用专用通路，增加运算部件等技术对性能的影响进行考察，加深对流水线和RISC处理器的特点的理解。 ·实验原理： 指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。相关影响流水线性能。·实验步骤 一．使用WinDLX模拟器，对做如下分析： （1）观察程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中出现上述现象的指令组合。 （2）考察增加浮点运算部件对性能的影响。 （3）考察增加forward部件对性能的影响。 （4）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。 ·实验过程 一．使用WinDLX模拟器，对做如下分析： } 浮点加、乘、除部件都设置为1，浮点数运算部件的延时都设置为4，如图1： 图1 初始设置 将和加载至WinDLX中，如图2示。
图2 加载程序 1.观察程序中出现的数据/控制/结构相关；指出程序中出现上述现象的指令组合。 1）数据相关 点击F7，使程序单步执行，当出现R-Stall时停止，运行过程中出现下图3所示，输入整数6。 图3 输入整数6 @ 打开Clock Diagram，可以清楚的看到指令执行的流水线如图4所示。 图4 指令流水线 双击第一次出现R-Stall的指令行，如图5所示。
图5 指令详细信息 对以上出现的情况分析如下： 程序发生了数据相关，R-Stall（R-暂停）表示引起暂停的原因是RAW。 lbu r3,0×0(r2) 要在WB周期写回r3中的数据；而下一条指令 & seqi r5,r3,0×a 要在intEX周期中读取r3中的数据。 上述过程发生了WR冲突，即写读相关。为了避免此类冲突， seq r5,r4,0×a的intEX指令延迟了一个周期进行。 由此，相关指令为： 2）控制相关 由图6可以看出，在第4时钟周期：第一条指令处于MEM段，第二条命令处于intEX段，第三条指令出于aborted状态，第四条命令处于IF段。 图 6 指令流水线 }
《软件体系结构》 实验：软件体系结构风格之应用
一、实验目的 通过KWIC 实例分析，理解和掌握软件体系结构风格设计与实现。 二、实验内容 多种软件风格设计与实现之KWIC 实例： 1．采用主/子程序体系结构风格实现KWIC 关键词索引系统 2．采用面向对象体系架构风格实现KWIC 关键词索引系统 3．采用管道过滤 体系架构风格实现KWIC 关键词索引系统 4．采用事件过程调用体系架构风格实现KWIC 关键词索引系统 三、实验要求与实验环境 熟练掌握基于主/子程序体系结构风格的KWIC 关键词索引系统，在此基础上，完成基于面向对象体系架构风格的KWIC 关键词索引系统设计与实现。选做基于管道过滤体系架构风格的KWIC 关键词索引系统；选做基于事件过程调用体系架构 风格的KWIC 关键词索引系统。 实验课前完成实验报告的实验目的、实验环境、实验内容、实验操作过程等 内容；实验课中独立/团队操作完成实验报告的实验操作、实验结果及结论等内容；每人一台PC 机，所需软件Win2003/XP 、UML 工具（EclipseUML/ Rose/Visio/StartUML/）、Eclipse/MyEclipse、JDK6.0 等。 四、实验操作 1、采用主/子程序体系结构风格实现KWIC 关键词索引系统 主程序/子程序风格（Main Program/Subroutine Style）将系统组织成层次结构，包括一个主程序和一系列子程序。主程序是系统的控制器，负责调度各子程 序的执行。各子程序又是一个局部的控制器，调度其子程序的执行。设计词汇表：主程序main(), 子程序shift(), sort() 方法，方法的调用，返回构件和连接件类型：
实践设计报告 设计名称：计算机系统结构实践设计 设计项目：流水线与流水线冲突 姓名：冯皓明 专业：计算机科学与技术 班级：18-4 学号：1804010405
计算机科学与技术学院 实验教学中心 20 20 年 5 月15 日 目录 一．实践设计的目的和意义 二．实践设计的内容和要求 三．设计用的设备仪器 四．实践设计的相关技术 五．项目设计与实现 六．结束语 一实验目的 加深对计算机流水线基本概念的理解。 理解MIPS结构如何用段流水线来实现，理解各段的功能和基本操作。 加深对数据冲突、结构冲突和控制冲突的理解，理解这三类冲突对CPU性能的影响。 通过采用相关技术来消解各种冲突，进一步理解解决流水线冲突的方法。二．要求 学习模拟器的结构、原理和基本操作方法。 运行样例程序，观察流水线的工作过程和冲突产生的情况。 运用所学知识，通过对模拟器的一些功能设置来解决产生的结构冲突，数据冲突，控制冲突。 自行编写一段程序，分别验证各种冲突的解决方法。（程序行数不需过多，10行左右，只要包括这几种冲突情况即可）。
三实验用设备器材 计算机一台。指令级和流水线操作级模拟器MIPS。 四．实践设计的相关技术 五．项目设计与实现 （1）启动MIPSsim （2）根据预备知识中关于流水线各段操作的描述，进一步理解流水线窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含义。 流水线窗口如下图： 取指令（IF）、指令译码/读寄存器（ID）、执行/访存有效地址计算（EX）、存储器访问（MEM）、结果写回寄存器（WB），（用鼠标双击各段，就可以看到各流水寄存器的内容）
1.观察程序在流水线中的执行情况，步骤如下： （1）选择MIPS的“文件”—>“载入程序”选项来加载pipeline.s。（2）观察比较各个执行周期 当执行到第13个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是： IF: LW $r4,60（$r6） ID：ADDI $r3，$r0,25 EX：ADDI $r1,$r1,-1 MEM：ADDI $r6,$r0,8 WB：ADD $r2,$r1,$r0 时钟周期图：
中南大学软件学院 软件体系结构 设计模式实验报告 学生姓名：宋昂 所在学院：软件学院 学生学号： 3901080115 学生班级：软件0801 指导老师：刘伟 完成日期： 2010-12-7
一、实验目的 熟练使用PowerDesigner和任意一种面向对象编程语言实现几种常见的设计模式，包括简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式和适配器模式，理解每一种设计模式的模式动机，掌握模式结构，学习如何使用代码实现这些模式，并学会分析这些模式的使用效果。 二、实验内容 使用PowerDesigner和任意一种面向对象编程语言实现简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式和适配器模式，包括根据实例绘制模式结构图、编写模式实例实现代码，运行并测试模式实例代码。 (1) 简单工厂模式 使用简单工厂模式设计一个可以创建不同几何形状(Shape)的绘图工具类，如可创建圆形(Circle)、方形(Rectangle)和三角形(Triangle) 对象，每个几何图形都要有绘制draw()和擦除erase()两个方法，要求在绘制不支持的几何图形时，提示一个UnsupportedShapeException，绘制类图并编程实现。 (2) 简单工厂模式 使用简单工厂模式模拟女娲(Nvwa)造人(Person)，如果传入参数“M”，则返回一个Man 对象，如果传入参数“W”，则返回一个Woman对象，使用任意一种面向对象编程语言实现该场景。现需要增加一个新的Robot类，如果传入参数“R”，则返回一个Robot对象，对代码进行修改并注意女娲的变化。 (3) 工厂方法模式 某系统日志记录器要求支持多种日志记录方式，如文件记录、数据库记录等，且用户可以根据要求动态选择日志记录方式，现使用工厂方法模式设计该系统。用代码实现日志记录器实例，如果在系统中增加一个中的日志记录方式——控制台日志记录(ConsoleLog)，绘制类图并修改代码，注意增加新日志记录方式过程中原有代码的变化。
计算机系统结构实验报告 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： 1.用WinDLX模拟器执行下列三个程序： 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。 2. 用WinDLX运行程序structure_d.s，通过模拟找出存在资源相关的指令对以及导致资源相 关的部件；记录由资源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；论述资源相关对CPU性能的影响，讨论解决资源相关的方法。 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。 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。 1. 求阶乘程序 用WinDLX模拟器执行求阶乘程序fact.s。这个程序说明浮点指令的使用。该程序从标准 输入读入一个整数，求其阶乘，然后将结果输出。 该程序中调用了input.s中的输入子程序，这个子程序用于读入正整数。 实验结果： 在载入fact.s和input.s之后，不设置任何断点运行。 a.不采用重新定向技术，我们得到的结果
北京邮电大学 实验报告 课程名称计算机系统结构 计算机学院03班 王陈(11)
目录 实验一WINDLX模拟器安装及使用......................................... 错误!未定义书签。 ·实验准备................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验内容及要求.................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验二指令流水线相关性分析 ............................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验三DLX处理器程序设计 .................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 A.向量加法代码及性能分析 ................................................... 错误!未定义书签。 B.双精度浮点加法求和代码及结果分析 .............................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验四代码优化 ....................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验原理................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结+实习体会........................................................... 错误!未定义书签。实验五循环展开 ....................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验原理................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 矩阵乘程序代码清单及注释说明........................................... 错误!未定义书签。 相关性分析结果........................................................................... 错误!未定义书签。 增加浮点运算部件对性能的影响........................................... 错误!未定义书签。 增加forward部件对性能的影响 ............................................ 错误!未定义书签。 转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销 .. 错误!未定义书签。 ·实验总结+实习体会+课程建议......................................... 错误!未定义书签。
计算机系统结构实验 实验1：MIPS指令系统和MIPS体系结构 （预习报告） 姓名： 学号： 班级：
大连理工大学实验预习报告 学院：______________________专业:_______________________班级:_____________________ 姓名：______________________学号:_______________________ 实验时间：__________________实验室：__________________实验台：__________________ 指导老师签字：_________________________________________成绩：____________________ 实验目的： 了解熟悉MIPSsim模拟器； 熟悉MIPS指令系统及其特点； 熟悉MIPS体系结构 实验平台： 指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim 资料准备： MIPS64指令系统介绍 1.MIPS的寄存器 32个64位通用寄存器（GPRs整数寄存器）：R0-R31。R0的值永远是0。 32个64位浮点数寄存器FPRs：F0-F31。它们可以存放32个单精度浮点数（32位），也可以存放32个双精度浮点数（64位）。 MIPS提供了单精度和双精度操作的指令，而且还提供了在FPRs和GPRs之间传送数据的指令。2.MIPS的数据表示
整数：字节（8位）、半字（16位）、字（32位）和双字（64位）。 浮点数：单精度浮点数（32位）和双精度浮点数（64位）。 MIPS64的操作是针对64位整数以及32位或64位浮点数进行的。字节、半字或字在装入64位寄存器时，用零扩展或者用符号位扩展来填充该寄存器的剩余部分。装入以后，对它们按照64位整数的方式进行运算。 3.MIPS的数据寻址方式 MIPS的数据寻址方式只有立即数寻址和偏移量寻址两种，立即数字段和偏移量字段都是16位。 寄存器间接寻址是通过把0作为偏移量来实现的，16位绝对寻址是通过把R0作为基址寄存器来完成的。 MIPS的存储器是按字节寻址的，地址是64位。由于MIPS是load-store结构，寄存器和存储器之间的数据传送都是通过load指令和store指令来完成的。所有存储器访问都必须边界对齐。 4.MIPS的指令格式 指令格式简单，其中操作码6位。按不同类型的指令设置不同的格式，共有3种格式，分别对应I指令、R指令和J指令。在这3种格式中，同名字段的位置固定不变。 I类指令 包括所有的load和store指令、立即数指令、分支指令、寄存器跳转指令、寄存器链接跳转指令。其中立即数字段位16位，用于提供立即数或偏移量。 1）load指令 2）store指令 3）立即数指令 4）分支指令 5）寄存器跳转、寄存器跳转并链接
《计算机系统结构课内实验》 实验报告 班级：计算机01 姓名：陈世阳 学号：10055008 日期：2013.5.10
一、实验目的及要求 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。 二、实验环境 WinDLX模拟器 三、实验内容 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。 四、实验步骤及结果 1.（1）用winDLX执行求最大公倍数程序gcm.s: File->load code or data->分别选中gcm.s和input.s->select. （2）首先直接运行整个程序（enable forwarding），execute->run(或按F 5) 例如，输入如下：
实验二结构相关 一、实验目的： 通过本实验，加深对结构相关的理解，了解结构相关对CPU性能的影响。 二、实验内容： 1. 用WinDLX模拟器运行程序structure_d.s 。 2. 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。 3. 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。 4. 论述结构相关对CPU性能的影响，讨论解决结构相关的方法。 三、实验程序structure_d.s LHI R2, (A>>16)&0xFFFF 数据相关 ADDUI R2, R2, A&0xFFFF LHI R3, (B>>16)&0xFFFF ADDUI R3, R3, B&0xFFFF ADDU R4, R0, R3 loop: LD F0, 0(R2) LD F4, 0(R3) ADDD F0, F0, F4 ；浮点运算，两个周期，结构相关 ADDD F2, F0, F2 ; <- A stall is found (an example of how to answer your questions) ADDI R2, R2, #8 ADDI R3, R3, #8 SUB R5, R4, R2 BNEZ R5, loop ；条件跳转 TRAP #0 ;; Exit <- this is a comment !! A: .double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 B: .double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
四、实验过程 打开软件，load structure_d.s文件，进行单步运行。经过分析，此程序一 次循环中共有五次结构相关。（R-stall 数据相关Stall- 结构相关） 1)第一个结构相关：addd f2,,f0,f2 由于前面的数据相关，导致上一条指令addd f0,f0,f4暂停在ID阶段，所以下一条指令addd f2,,f0,f2发生结构相关，导致相关的部件：译码部件。 2)第二个结构相关：ADDI R2, R2, #8，与第一个结构相关类似。由于数据相关， 上一条指令暂停在ID阶段，所以导致下一条指令发生结构相关。
福建农林大学计算机与信息学院 实验报告 课程名称：软件设计与体系结构 姓名：陈宇翔 系：软件工程系 专业：软件工程 年级：2007 学号：070481024 指导教师：王李进 职称：讲师 2009年12月16日
实验项目列表
福建农林大学计算机与信息学院实验报告 学院：计算机与信息学院专业：软件工程系年级：2007 姓名：陈宇翔 学号：070481024 课程名称：软件设计与体系结构实验时间：2009-10-28 实验室田实验室312、313计算机号024 指导教师签字：成绩： 实验1：ACME软件体系结构描述语言应用 一、实验目的 1）掌握软件体系结构描述的概念 2）掌握应用ACMESTUDIO工具描述软件体系结构的基本操作 二、实验学时 2学时。 三、实验方法 由老师提供软件体系结构图形样板供学生参考，学生在样板的指导下修改图形，在老师的指导下进行软件体系结构描述。 四、实验环境 计算机及ACMESTUDIO。 五、实验内容 利用ACME语言定义软件体系结构风格，修改ACME代码，并进行风格测试。 六、实验操作步骤 一、导入Zip文档 建立的一个Acme Project，并且命名为AcmeLab2。如下图：
接着导入ZIP文档，导入完ZIP文档后显示的如下图： 二、修改风格 在AcmeLab2项目中,打开families下的TieredFam.acme.如下图： 修改组件外观 1. 在组件类型中，双击DataNodeT; 在其右边的编辑器中，将产生预览；选择Modify 按钮，将打开外观编辑器对话框。 2. 首先改变图形：找到Basic shape section，在Stock image dropdown menu中选 择Repository类型. 3. 在Color/Line Properties section修改填充颜色为深蓝色。 4. 在颜色对话框中选择深蓝色，并单击 [OK]. 5. 修改图形的边框颜色为绿色 7. 单击Label tab，在Font Settings section, 设置字体颜色为白色,单击[OK] 产生的图形如下图：
大连理工大学实验报告计算机系统结构实验 实验四Cache性能分析 学院（系）：电子信息与电气工程学部专业：计算机科学与技术 学生姓名： 班级： 学号： 大连理工大学 Dalian University of Technology
实验四Cache性能分析 一、实验目的和要求 （1）加深对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解。 （2）掌握Cache容量、相联度、块大小对Cache性能的影响。 （3）掌握降低Cache不命中率的各种方法以及这些方法对提高Cache性能的好处。 （4）理解LRU与随机法的基本思想以及它们对Cache性能的影响。 二、实验步骤与操作方法 1、Cache容量对不命中率的影响。 （1）启动MyCache。 （2）用鼠标单击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。 （3）选择一个地址流文件。方法：选择“访问地址”—>“地址流文件”选项，然后单击“浏览”按钮，从本模拟器所在文件夹下的“地址流”文件夹中选取。 （4）选择不同的Cache容量，包括2KB、4KB、8KB、16KB、32KB、64KB、128KB和256KB。分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮即可执行），然后在下表中记录各种情况下的不命中率。 表不同容量下Cache的不命中率 （5）以容量为横坐标，画出不命中率随Cache容量变化而变化的曲线，并指明地址流文件名。
（6）根据该模拟结果，你能得出什么结论？ 答：随着Cache容量的增大，不命中率降低，但是降低的幅度由较大差别，Cache容 量足够大以后，不命中率降到一定程度以后，降低效果不再明显。 2．相联度对不命中率的影响 （1）用鼠标单击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。此时的Cache容量为64KB。 （2）选择一个地址流文件。 （3）选择不同的Cache相联度，包括2路、4路、8路、16路和32路。分别执行模拟器，然后在下表中记录各种情况下的不命中率。 表当容量为64KB时，不同相联度下Cache的不命中率 （4）把Cache的容量设置为256KB，重复（3）的工作，并填写下表。 表当容量为256KB时，不同相联度下Cache的不命中率 （5）以相联度为横坐标，画出在64KB和256KB的情况下不命中率随Cache相联度变化而变化的曲线，并指明地址流文件名。
实验一流水线及流水线中的冲突 实验目的 1.加深对计算机流水线基本概念的理解； 2.理解MIPS结构如何用5段流水线来实现，理解各段的功能和基本操作； 3.加深对数据冲突、结构冲突的理解，理解这两类冲突对CPU性能的影响； 4.进一步理解解决数据冲突的方法，掌握如何应用定向技术来减少数据冲突引起的停顿。 5.加深对指令调度和延迟分支技术的理解； 6.熟练掌握用指令调度技术来解决流水线中的数据冲突的方法； 7.进一步理解指令调度技术和延迟分支技术对CPU性能的改进。 实验平台 指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim， 实验内容和步骤 首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。 一、流水线及流水线中的冲突观察 1. 启动MIPSsim。 2．根据预备知识中关于流水线各段操作的描述，进一步理解流水线窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含义。（用鼠标双击各段，就可以看到各流水寄存器的内容） 3. 熟悉MIPSsim模拟器的操作和使用方法。 可以先载入一个样例程序（在本模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件夹中），然后分别以单步执行一个周期、执行多个周期、连续执行、设置断点等的方式运行程序，观察程序的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容的变化，特别是流水寄存器内容的变化。 4. 勾选配置菜单中的“流水方式”，使模拟器工作于流水方式下。 5．观察程序在流水线中的执行情况，步骤如下： (1)用MIPSsim的“文件”菜单中的“载入程序”来加载pipeline.s（在模拟器所在文 件夹下的“样例程序”文件夹中）； (2)关闭定向功能。这是通过在“配置”菜单中去选“定向”（即使得该项前面没有“√” 号）来实现的； (3)用单步执行一周期的方式（“执行”菜单中，或用F7）执行该程序，观察每一周 期中，各段流水寄存器内容的变化、指令的执行情况（代码窗口）以及时钟周期 图； (4)当执行到第10个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是： IF： ID：
系统结构实验报告 11070113 臧琦 11070230 曾凯
目录 实验一流水线中的相关 (3) 1、实验目的 (3) 2、实验平台 (3) 3、实验要求 (3) 4、实验结果 (4) 4.1用WinDLX 模拟器执行下列三个程序 (4) 4.1.1用WinDLX 模拟器执行阶乘程序 fact.s的结果如下所示 (4) 4.1.2 用WinDLX 模拟器执行阶乘程序gcm.s的结果如下所示 (5) 4.1.3 用WinDLX 模拟器执行阶乘程序prim.s的结果如下所示 (7) 4.2 用WinDLX 模拟运行器程序structure_d.s，进行相关实验 (8) 4.3 比较定向与不定向技术，用WinDLX 模拟运行器程序data_d.s，进行相关实验 11 4.3.1采用不定向技术，用WinDLX 模拟运行器程序data_d.s，进行相关实验 (11) 4.3.2采用定向技术，用WinDLX 模拟运行器程序data_d.s，进行相关实验 (11) 5、总结与体会 (12) 实验二循环展开及指令调度 (13) 1、实验目的 (13) 2、实验平台 (13) 3、实验要求 (13) 4、实验结果 (14) 4.1用指令调度技术解决流水线中的结构相关与数据相关 (14) 4.1.1原指令执行的相关结果 (14) 4.1.2调整指令顺序指令执行的结果 (16) 4.2用循环展开、寄存器换名以及指令调度提高性能 (17) 4.2.1 原循环程序运行的结果 (17) 4.2.2 将循环程序展开运行的结果 (18) 4.2.3 将程序循环展开、指令调度后运行的结果 (19) 5、总计与体会 (21) 实验三cache性能分析 (21) 1、实验目的 (21) 2、实验平台 (21) 3、实验要求 (21) 4、实验结果 (22) 4.1.基本配置情况下运行程序 (22) 4.2．改变Cache容量对Cache性能的影响 (22) 4.3．改变Cache的相联度对Cache性能的影响 (25) 4.4．改变Cache块大小对Cache性能的影响 (27) 4.5．不同的替换算法对Cache性能的影响 (30) 4.5.1不同容量下，不同的替换算法对Cache性能的影响 (30) 5、总计与体会 (36)
实验名称多通路运算器和寄存器堆实验地点信息楼420 实验日期2012-12-7 一、实验目的 1．了解多通路的运算器与寄存器堆的组成结构。 2．掌握多通路的运算器与寄存器堆的工作原理及设计方法。 二、实验设备 PC 机一台， TD-CMX 实验系统一套。 三、实验原理 1．ALU® 单元的结构 ALU®单元由运算器和双端口寄存器堆构成，通过不同的控制信号SEL1、SEL0 产生不同结构的运算器。运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A 和暂存器B。 SEL0 和SEL1 用于选择运算器和寄存器堆的通路： (1)当SEL1=0、SEL0=0，ALU 的输出D7…D0、REG（右口）的输出OUT7…OUT0 和ALU与REG 的输入IN7…IN0 接到CPU 内总线上时，如图1-2-1 所示，寄存器堆只能从右口进行操作，相当于只有一组控制线的单端口寄存器堆，一般计算机组成原理实验涉及到的运算器和寄存器就是采用这种结构。 (2)当SEL1=1、SEL0=0，REG（右口）的输出OUT7…OUT0 和ALU 与REG（右口）的输入IN7…IN0 接到CPU 内总线上时，运算器和双端口寄存器堆的结构如图1-2-2 所示，寄存器堆由两组控制信号来分别进行控制，每组控制信号都可以相对独立的对寄存器堆进行读写操作，同时增加了执行专用通道A 总线，以利于提高指令执行的效率。
(3)当SEL1=1、SEL0=1，REG（右口）的输出OUT7…OUT0 和ALU 与REG（右口）的输入IN7…IN0 接到CPU 内总线上时，运算器和双端口寄存器堆的结构如图1-2-3 所示，在双通道双端口运算器和寄存器堆的基础上增加了暂存器旁路，把运算结果写回到寄存器堆的同时也可以写到暂存器A、暂存器B 中。由于在运算型指令中把运算的结果写到通用寄存器中的指令很多，占运算型指令的大多数，发生通用寄存器数据相关的概率相当高，因此，可以用硬件设置专用路径来解决这种通用寄存器数据相关问题。 上面介绍了运算器和寄存器堆的三种典型的数据通路图，在计算机组成原理这门课程中我们已经对运算器有了初步的了解，明白运算器的主要功能是完成算术和逻辑类运算。在系统结构这门课程中经过进一步的研究，还会了解到运算器与寄存器堆的结构对于计算机系统的设计有着重要的作用，对于计算机性能的优劣有着很大的影响。 2．ALU® 单元的应用 在了解运算器与寄存器堆结构的基础上，基于如图1-2-3 所示的双通道双端口运算器和双端口寄存器堆的结构可以设计一段程序：从IN 单元读入一个数据，存入R0；从IN 单元读入另一个数据，存于R1；将R0 和R1 相加，结果存于R0；将R0 和R1 相加，结果存于R3，同时打入暂存器A 中；再将R0 的值送OUT 单元显示。
实验报告 学院：计算机学院 课程名称：计算机系统结构 实验名称： WINDLX模拟器实验 班级： 姓名： 学号：
实验一 WINDLX模拟器安装及使用 略 实验二指令流水线相关性分析 一．实验类别 验证实验 二．实验目的 通过使用WINDLX模拟器，对程序中的三种相关现象进行观察，并对使用专用通路，增加运算部件等技术对性能的影响进行考察，加深对流水线和RISC处理器的特点的理解。 三．实验环境 Windows XP操作系统 WinDLX模拟器 四．实验原理 指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。相关影响流水线性能。 （1）数据相关 定义：原有先后顺序的两条指令（I1，I2)在对共享变量（位置）进行读、写时，指令流水线中实际完成的读、写顺序与原有顺序不一
致，导致流水线输出错误。 三类数据相关： 写读(WR)相关 读写(RW)相关 写写(WW)相关 解决方法技术： 1. 使某些流水线指令延迟、停顿一或多个周期。 2. 双端口存储器:如果指令和数据放在同一个存储器。 3. 设置两个存储器：一个数据存储，一个为指令存储器。 4. 软件优化编译：通过指令重新排序，消除数据相关。 5. 定向技术：又称旁路技术或专用通路技术，是使后续指令 提前得到前指令的运算结果(适合ALU类指令）（2）结构相关 定义：如果某指令在流水线重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，会产生资源冲突或竞争，称为流水线结构相关 解决方法技术： 1. 延迟技术：使某些指令延迟、停顿一或多个时钟周期 2. 双端口存储器：允许同时读两个数据或指令 3. 设置双存储器（哈弗结构）：一个数据存储，一个指令存 储。 4软件优化编译：通过指令重新排序消除结构相关。 （3）控制相关 定义：控制相关是指因程序执行转移类指令而引起的冲突相关。包括无条件转移、条件转移、子程序调用、中断等，它们属于分支指令，执行中可能改变程序方向，造成流水线断流。 解决方法技术： 1、静态分支技术 静态转移预测技术(猜测法) ； 延迟转移； 提前形成条件码，生成转移目标地址； 改进循环程序； 2、动态分支预测技术 转移历史表BHT； 转移目标缓冲栈（BTB）； 转移目标指令缓冲栈BTIB； 五．实验步骤 （1）观察程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中出现上述现象的指令组合。 （2）考察增加浮点运算部件对性能的影响。 （3）考察增加forward部件对性能的影响。 （4）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。 注意：除（2）以外，浮点加、乘、除部件都只有一个；
MIPSsim使用说明 一、启动模拟器 双击MIPSsim.exe，即可启动该模拟器。MIPSsim是在Windows操作系统上运行的程序，它需要用.NET运行环境。如果你的机器没有该环境，请先下载和安装“Microsoft .NET Framework 2.0 版可再发行组件包”。 模拟器启动时，自动将自己初始化为默认状态。所设置的默认值为： ◆所有通用寄存器和浮点寄存器为全0； ◆内存清零； ◆流水寄存器为全0； ◆清空时钟图、断点、统计数据； ◆内存大小为4096字节； ◆载入起始地址为0； ◆浮点加法、乘法、除法部件的个数均为1； ◆浮点加法、乘法、除法运算延迟分别为6、7、10个时钟周期； ◆采用流水方式； ◆不采用定向机制； ◆不采用延迟槽； ◆采用符号地址； ◆采用绝对周期计数。 当模拟器工作在非流水方式下（配置菜单中的“流水方式”前没有“√”号）时，下面叙述中有关流水段的内容都没有意义，应该忽略之。 二、MIPSsim的窗口 在流水方式下，模拟器主界面中共有7个子窗口，它们是：代码窗口、寄存器窗口、流水线窗口、时钟周期图窗口、内存窗口、统计窗口和断点窗口。每一个窗口都可以被收起（变成小图标）、展开、拖动位置和放大/缩小。当要看窗口的全部内容时，可以将其放大到最大。 在非流水方式下，只有代码窗口、寄存器窗口、内存窗口和断点窗口。 1. 代码窗口 代码窗口给出内存中代码的列表，每条指令占一行，按地址顺序排列。每行有5列（当全部显示时）：地址、断点标记、指令的机器码、流水段标记和符号指令。如图2.1所示。
图2.1 代码窗口 图中不同抹色的行代表相应的指令所处的执行段。黄色代表IF段，绿色代表ID段，红色代表EX段，青色代表MEM段，棕色代表WB段。 该窗口中各列的含义如下： ◆地址：以16进制的形式给出。内存是按字节寻址的，每条指令占4个字节。当采用 符号地址时，会在相应的位置给出汇编程序中出现的标号。 ◆断点标记：如果在该指令处设有断点，则显示相应的标记。断点标记的形式为B.X （X为段名），表示该断点是设置在该指令的“X”段。例如，若某行的断点标记为“B.EX”，则表示在该指令的EX段设置了断点。 当模拟器工作在非流水方式下时，断点的标记为B。 ◆机器码：该行所对应的指令的十六进制机器码。若该行无指令，则仅仅显示4字节 数据； ◆流水段标记：表示当该指令正在执行时，它在当前周期该指令所处的流水段。当模 拟器工作在非流水方式下时，它没有意义。 ◆符号指令：机器代码所对应的符号指令。 在该窗口中选中某行（用鼠标左键单击），然后再点击鼠标右键，就会弹出菜单：设置断点，清除断点，它们分别用于在所选指令处设置断点和清除断点。 ●设置断点 选择（点击）要设断点的指令→点击右键→“设置断点”，弹出“设置断点”小对话框，在“段”的下拉框中选择断点所在的流水段（在非流水方式下，不存在该下拉框），单击“确定”即可。 ●清除断点 选择（点击）指令→点击右键→“清除断点”，则设置在该指令处的断点被删除。