计算机体系结构实验报告——实验二

计算机体系结构实验报告

实验目的：

1.掌握计算机体系结构的基本概念和组成部分

2.学会使用模拟器对计算机性能进行测试和优化

3.理解计算机指令的执行过程和流水线工作原理

4.掌握计算机性能指标的测量方法和分析技巧

实验材料和工具：

1.一台个人电脑

2.计算机体系结构模拟器

3.实验指导书和实验报告模板

实验步骤：

1.搭建计算机系统：根据实验指导书提供的指导，我们搭建了一个简单的计算机系统，包括中央处理器（CPU）、内存和输入输出设备。

2.编写测试程序：我们编写了一段简单的测试程序，用于测试计算机系统的性能。

3.运行测试程序：我们使用模拟器运行测试程序，并记录测试结果。模拟器可以模拟计算机的执行过程，并提供各种性能指标的测量功能。

4.分析和优化：根据测试结果，我们对计算机系统的性能进行分析，并尝试优化系统设计和测试程序，以提高性能。

实验结果： 通过测试程序的运行和性能指标的测量，我们得到了如下结果：

1.计算机的时钟频率：根据模拟器显示的结果，我们得知计算机的时钟频率为1000MHz。

2. 指令执行时间：我们计算了测试程序的平均执行时间，得到了结果为5ms。

4.流水线效率：我们通过模拟器提供的流水线分析功能，得到了计算机流水线的平均效率为80%。

实验分析：

根据测试结果

1.提高时钟频率：通过增加时钟频率可以加快计算机的运行速度。我们可以尝试调整计算机硬件的设计和制造工艺，提高时钟频率。

2.优化指令执行过程：我们可以通过优化指令的执行过程，减少执行时间。例如，并行执行多个指令、增加指令缓存等。

3.提高流水线效率：流水线是提高计算机性能的关键技术，我们可以通过增加流水线级数和优化流水线结构，提高流水线效率。

4.增加并行计算能力：并行计算是提高计算机性能的重要途径，我们可以尝试增加计算机的并行计算能力，例如增加处理器核心的数量。

实验总结：

通过本次实验，我们深入了解了计算机体系结构的工作原理和性能指标。通过模拟器的使用，我们学会了对计算机性能进行测试和进行性能优化的方法。计算机体系结构是计算机科学中的一个重要内容，它对于设计和优化计算机硬件具有重要的指导作用。通过进一步的学习和探索，我们可以不断提高计算机性能，满足日益增长的计算需求。

编者的话

计算机体系结构是计算机科学与技术、网络工程、信息安全专业以及计算机

应用专业本科生的一门重要专业课程，其目的是提高学生从总体结构、系统分析

这一层次来研究和分析计算机系统的能力，在计算机组成原理和相关课程的基础

上建立起计算机系统的完整概念。学习本门课程的目标是：初步具备计算机系统

的量化分析、性能评价、设计和选型的能力。

学习计算机体系结构的过程中，将会接触到很多基本概念、原理和分析方法，

对于计算机性能的分析与评测不容易领会和掌握。亟需一套较系统完整的实验工

具和环境。长期以来，研究人员也开发出了各种指令模拟器和分析工具。通过这

些工具，能够直观地理解计算机体系结构中的细节内容，有助于培养分析和解决

问题的能力和创新精神。其中著名的威斯康辛大学的计算机体系结构主页

（/wwwarch/public/home）提供了丰富的仿真和

测评工具。我们在2006年以前使用的是基于有关模拟器的自编实验指导书。

张晨曦教授等编著《计算机系统结构实践教程》设计和编写了11个实验：指

令系统和体系结构、流水线及流水线中的冲突、指令调度和延迟分支、Cache性

能分析、Tomasulo算法、再定序缓冲（ROB）工作原理、多Cache一致性——监听

协议、多Cache一致性——目录协议。实验内容基本覆盖了传统的计算机体系结

构教学内容，有利于加深对体系结构知识的理解。特别是该书所附光盘提供了系

统结构实验模拟器（可运行于Windows平台的模拟器）。这些模拟器界面友好，使

用方便、直观，交互性很强。我们在信息学院2007级2008级、2009级以及软件学

院2009级计应班的计算机体系结构课程实验的使用中，效果良好。

以下是2010级体系结构实验的参考范例（计算机系2009级蓝子睿同学的实验

报告），希望同学们把更多的时间用于实验的测试、分析和性能评价中，提高课

程的学习效率，进一步加深课程知识体系的理解。

重庆理工大学

《计算机组成原理》

实 验 报 告

学 号 __***********____

姓 名 __张致远_________

专 业 __软件工程_______

学 院 _计算机科学与工程

二0一 六 年 四 月 二十三

实验一 基本运算器实验报告

一、 实验名称

基本运算器实验

二、 完成学生： 张致远 班级115030801 学号11503080109

三、 实验目的

1．了解运算器的组成结构。

2．掌握运算器的工作原理。

四、 实验原理：

两片74LS181 芯片以并/串形式构成的8位字长的运算器。右方为低4位运算芯片，左方为高4位运算芯片。低位芯片的进位输出端Cn+4与高位芯片的进位输入端Cn相连，使低4位运算产生的进位送进高4位。低位芯片的进位输入端Cn可与外来进位相连，高位芯片的进位输出到外部。

两个芯片的控制端S0～S3 和M 各自相连，其控制电平按表2.6-1。为进行双操作数运算，运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器DR1、DR2（用锁存器74LS273 实现）来锁存数据。要将内总线上的数据锁存到DR1 或DR2 中，则锁存器74LS273 的控制端LDDR1

或LDDR2 须为高电平。当T4 脉冲来到的时候，总线上的数据就被锁存进DR1 或DR2 中了。

为控制运算器向内总线上输出运算结果，在其输出端连接了一个三态门（用74LS245 实现）。若要将运算结果输出到总线上，则要将三态门74LS245 的控制端ALU-B 置低电平。否则输出高阻态。数据输入单元(实验板上印有INPUT DEVICE)用以给出参与运算的数据。其中，输入开关经过一个三态门（74LS245）和内总线相连，该三态门的控制信号为SW-B，取低电平时，开关上的数据则通过三态门而送入内总线中。

总线数据显示灯（在BUS UNIT 单元中）已与内总线相连，用来显示内总线上的数据。控制信号中除T4 为脉冲信号，其它均为电平信号。

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