2024年5月13日发(作者：虚拟光驱加载iso文件)

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

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B.双精度浮点加法求和代码及结果分析

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·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

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相关性分析结果

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增加浮点运算部件对性能的影响

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增加forward部件对性能的影响

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转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销

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·实验总结+实习体会+课程建议......................................... 错误!未定义书签。

实验一 WINDLX模拟器安装及使用

WinDLX模拟器的结构和功能说明

1.点击运行之后，会看到一个如下图所示的窗口。

它包括Register, Code, Pipeline, Clock Cycle Diagram, Statistics, Breakpoints。接下来

详细介模拟器的结构及各个部件的功能。

窗口介绍

Rigister窗口中显示的是各个寄存器的名称及内容。如下图：

可以看到寄存器中以十六进制标识，从上图可以看出各个寄存器中的内容。

窗口介绍

在没有进行任何执行的时候，初次打开code窗口，即为下图所示

窗口现实的信息是各个存储器内同。第一列标识存储器的地址；第二列是机

器代码，用16进制表示；第三列是汇编指令。

当我们点击上方的，可以选择单步或多步执行（也可以使用快捷键

F7或F8）。若选择单步执行，每按一次F7，指令执行一次，可以看到，一次执

行的为IF->ID->intEX->MEM->WB，没执行一次还有颜色的变化。颜色是用来标识

指令处于哪个流水段的，如下图。

当然，我们也可以使用多步执行，按快捷键F8，选择5步流水，即可。

窗口介绍

通过阅读WinDLX模拟器说明书可以知道，Pipeline窗口显示的是DLX处理

器的内部结构。窗口用下图标识DLX五段流水。当然，如同Code窗口介绍讲述

的那样，不同的颜色显示了指令处于哪段流水线。使用快捷键F7单步执行，可

以明显的看出，不同时候流水段执行的不同指令。如下图。

图片反映的正式与Code中所处的时刻相同的指令流水。可以清晰看到不同

流水段执行的是哪条指令。

Cycle Diagram窗口

实验准备中我们已经知道，该窗口显示的是流水线的时空图。时空图反映的

是不同时隙内的运行情况。如下图。

在我看来，时空图是最好理解的。因为它反映的就是流水段的并行程度。在

这个DLX模拟器中，并不存在一些数据或者控制上的冲突问题。所以可以依靠上

图很清晰的看到指令所处的不同流水段，及指令执行情况。该时空图同样也是和

前面的Code等相对应。也可以通过快捷键F7来进一步执行指令，可以看到流水

线时空图的扩展情况。

任意双击指令的一行，可以详细看到不同流水段的情况。如下图所示。

窗口介绍

该窗口是对运行程序中的数据进行分析。主要包括模拟器中硬件配置情况，

在该窗口中，我们可以比较不同配置对于该模拟器的不同影响。如下图所示。

1） 整体指令执行情况

2） 硬件配置情况

3） 暂停次数和百分比及原因分析

4） 分支次数和百分比

5） Load/Store指令执行情况

6） 浮点指令执行次数和百分比

7） trap发生的次数和百分比

窗口介绍

该窗口使用来观察代码运行情况。先打开Breakpoints窗口，点击窗口上方

的

停止执行。

来设置breakpoint，也就是设置指令运行到流水线的哪个阶段程勋

如上图，如果选择EX阶段，在Code窗口中相应的行会出现BEX，即指令执

行到译码结束执行开始的时候，程序将中止。

·实验总结

通过本次试验，由于是第一次接触DLX模拟器，该试验能够帮助我对这个模

拟器大致的功能及使用做个大致的了解。对于日后的实验打下好的基础。

我觉得WinDLX模拟器小而精悍，它有不同颜色的标记， 不同寄存器及存

储器的反映。通过使用它，可以对5步流水的过程及不同阶段很清楚明白的看到。

也可以看到不同指令分析走到了哪一步，到了哪一步流水段。

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。

·实验环境

Windows XP操作系统

WinDLX模拟器

·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。

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

如下图所示，在Clock Cycle Diagram窗口所想是的时空图中和Pipeline窗口中

的流图中，第一次出现了R-Stall。

接下来可以点击上图中的橘色窗口，则屏幕显示

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

由上图可以看出，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。

原因分析：jal InputUnsigned是无条件分支指令，但当第三个周期开始的时候，

也就是jal这条指令被译码后才知道。此时，movi2fp已经执行，且将要执行的下

一条命令在另外一个地址处，所以这条指令不会执行，这个时候就会发生控制相

关。由此，发生控制相关的指令为：

3） 结构相关

首先，我们先来看一下执行过控制相关的时空图和Pipeline，如下图。

当我们点击Pipeline中IF所对应的框框可以看到详细的该指令执行情况，如下图：

上图表明了addi r2,r2,0×1的详细信息。该指令与它前一条指令add r1,r1,r3发生

了结构相关。并且由于此处的冲突，需要暂停2个周期。在ID段暂停后，则开

始进图intEX段。所以这条指令（addi r2,r2,0×1）你不能进入ID流水段，译码

部分占用，发生了结构相关。该部分的指令为：

2. 考察增加浮点运算部件对性能的影响。

该实验取N=6

首先通过，点击Floating Point Stage Configuration来设置浮点运算部

件的配置。由于实验手册上面要求Delay=4，所以我们将Delay这一栏改成4，而

Count可以任意，为了对比，我们第一次浮点运算部件取全部为2，第二次浮点

运算部件取全部为3。如下图所示：

运行50个cycles之后，可以看到他们数据的对比：

由此可见，浮点运算部件的增减对效率无影响。比较各个数据，发现没有变

化。无论怎么增加浮点运算部件，统计结果都一样。原因在于此程序中浮点计算

指令没有重叠，所以并行度没有增加，性能没有提高。

3.考察增加forward部件对性能的影响。

为了对比有无forward部件的性能。需要在

中勾选enable

forwarding，以及不勾选enable configuration来看性能数据的对比。

不使用forward部件：

使用forward部件：

从上面的数据我们可以看出增加forwardi部件后RAW由原来占总时钟周期

的26%减少至18%，RAW个数由原来的13减少至9。增加forward部件使得控

制相关比例增加了。即，使用forward部件后，总的时钟周期减少，数据相关减

少，流水线的性能得到一定的改善。

3. 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。

我们假设，浮点部件设置Count=3，Delay=4;N=6。执行完毕后，查看条件转移分

支，如下图所示：

由上图可知，转移指令一共8条，成功转移2条（占25%），不成功为6条。

所以，静态指令调度算法只能解决数据相关，条件转移结果与原来相比没有变化。

即，若转移不成功，对流水线的执行无影响，流水线的吞吐率和效率没有降低；

若转移成功，则要废弃预先读入的指令，重新从转移成功处读入指令，执行效率

会下降。

·实验总结

本次试验中，主要遇见一个问题，就是在当初文件加载时没有成功，后来通

过查询资料和自己的尝试，发现，在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。

本次实验，主要通过对于三中相关的观察，分析出现相关时的指令，分析浮

点运算部件和forward部件对性能的影响，观察转移指令在转移成功和不成功时

的流水线开销，这些实验一步一步，通过WinDLX形象生动的表示，使我在实践

中更加深入的认识了流水线。

实验三 DLX处理器程序设计

·实验目的

学习使用DLX汇编语言编程，进一步分析相关现象

·实验过程

A. 向量加法代码及性能分析

首先给据题目要求，需要熟练掌握DLX编程语言，然后根据规范格式编写向量的

代码。

1) 向量声明

VectorLength: .word 16 ord 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 ord 1,2,3,4,5,6,7,8,9,1

0,11,12,13,14,15,16

Result: .space 4

文件不要出现中文格式，不然会

导致加载失败（开始好几次为了方便我直接起名为“双精度浮点向量加.s”却怎

么样也导入不成功）；在编写双精度浮点数运算时有些对于指令掌握不熟练，并

且双精度double型运算指令，其所有的运算指令名称上面都要加上“d”才ok。

而如果是单精度的，则需要添加字母“f”；其次，对于浮点数的相关设置，包

括状态寄存器和浮点寄存器都需要在实验之前查资料了解透彻，不然在试验中就

会有语法错误。

通过此次实验我对实验二所进行的数据相关、控制相关、结构相关的性能分

析做了更深入的了解，以及对于功能部件对流水线的影响，forwarding技术对流

水线的影响，还有就是静态指令调度等。

通过自行编写向量矢量算法，在代码中初始化两个向量，按照分量顺序进行

运算。当然，如果想要改变源向量，直接处理代码中的相关数据即可。

总之，该实验主要着重对浮点运算以及对于流水线的相关影响及性能分析，

使我受益匪浅。

实验四 代码优化

·实验目的

学习简单编译优化方法，观察采用编译优化方法所带来的性能的提高。

·实验原理

采用静态调度方法重排指令序列，减少相关，优化程序

·实验过程

选择上一个实验的向量加法运算作为优化对象。优化后的代码如下图所示。

当如下图所示的时候证明已经执行完毕。

执行完毕后，我们点击Statistics查看运行结果数据分析。

1） 程序相关性分析结果

优化之后其中断数据显示为：

优化前为：

由上述两图对比可以看出，

数据相关：其RAW相关由优化前的%减少为%，性能改善很多；

结构相关没有发生改变；

控制相关：由原来的%变为%，没有改善。

因此，可以看出，我所进行的代码优化对性能方面改善并不是很强烈，主要影响

还是在数据相关方面。

2）增加浮点运算部件对性能的影响。

上图左图为4个浮点部件

执行结果，右图为原始默认1个

浮点部件执行结果。由此可以看

出，其部件个数对统计结果并无

影响。

原因为该运算过程中不存在结构相关，因此并行度没有增加，程序影响不大，

部件增加对于系统的性能并没有改善。

3）增加forward部件对性能的影

响。

左图为使用forwading技术的统计结果。

通过对比可以看出，使用forwarding技术之后执行周期少了316-283=33个时钟

周期，在这些时钟周期中，forwarding技术主要在于消除了执行过程中的数据相

关（由65个中断减少至32个）。因此，代码执行效率改善很多。

4） 转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销。

由统计结果中的Conditional Branches（如下图）可以看出，

优化前和优化后的Conditional Branches都为上图显示，优化对于转移指令并无

影响。

在本代码运行过程中，成功几率为%，在进行一共16次转移中，taken一共15

次。分析原因可以知道，预测成功执行指令，当判断转移不成功是，系统对trap

指令不再执行，进行跳转。

·实验总结+实习体会

本次试验主要是对上一个实验中的代码进行优化，使我在做实验的过程中掌

握了进行代码优化的方法，以及相关性的分析。而相关性分析在我看来是重点，

它关系到能否进行优化以及怎么优化。

首先需要分析程序中产生的相关性，代码优化的目的就是减少相关性的发

生，提高流水线的效率。通过上述的实验报告和数据对比，可以看到，代码优化

我做到了。

实习体会：

其实总的来说这几次试验难度不大，主要还是将课上老师所讲的融入实验当

中。其中forwarding技术和预测技术都是课上老师详细讲过的，所以对于实验的

理解起来更容易一些。理解之后，通过实验结果的统计数据可以客观的看到这些

技术对于流水线性能的影响。这对于我来说收获颇多。

实验五 循环展开

·实验目的

进一步学习DLX汇编语言编程方法，学习循环展开编译优化方法，观察采用循环

展开编译优化方法所带来的性能的提高。

·实验原理

对循环程序采用循环展开（loop unrolling）方法进行优化，减少相关。

·实验过程

矩阵乘程序代码清单及注释说明

1）输入部分声明

2） 输出部分声明

3） 初始化矩阵A和矩阵B，包括初始化他们的行数、列数（因为是矩阵相乘，

A的列数=B的行数；并且要将A元素个数保存下来）。并最终指向A的首地

址。

4） 循环嵌套，读入矩阵A的元素值。

5） 接下来，需要读出A元素，并指向A首地址。

6） 对矩阵A做行数变换

7） 对矩阵B做变换

8） 按照数学的方法对两个矩阵做乘法

9） 矩阵相乘计算完毕后，询问是否需要循环重复本次操作

当编写好代码之后载入后，我遇到了一些问题。报错信息为：

相关性分析结果

增加浮点运算部件对性能的影响

增加forward部件对性能的影响

转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销

·实验总结+实习体会+课程建议

本次试验主要难点在于矩阵相乘代码的编写。其实说难也不难，因为只要掌

握了原理记忆WinDLX的语法规则即可顺利编写。编写完后，我在执行的时候遇

到了很多困难。最终和同学讨论之后，也没有得到解决。不过我查找了大量的资

料，明白了报错原因以及我实际操作的问题。

本次试验重点是循环优化后与之前的性能比较。虽然我没有得到结果，但我

认真去做了之前的每次试验，收获颇多。不仅如此，我觉得WinDLX我能够熟练

应用，它的图像显示以及数据比例显示都能体现出软件的优越。

实习体会：

其实总的来说前4次试验难度不大，而最后一次是综合性的实验，不但要熟

练掌握指令和代码，还要能够优化后分析优化的效果，以及循环展开之后的性能

的对比。其实主要还是将课上老师所讲的融入实验当中。其中forwarding技术和

预测技术都是课上老师详细讲过的，所以对于实验的理解起来更容易一些。理解

之后，通过实验结果的统计数据可以客观的看到这些技术对于流水线性能的影

响。这对于我来说收获颇多。

课程建议：

整体来说，实验课会占用平时理论课的课时也足以见得实验的重要。由于每

个人的能力不同，实验完成的程度也不一样。但我觉得我能够认真按序按时间完

成实验，本身对自己就是一种提高。建议老师在第三次实验之后的“

可研究与探

索的问题”可以多加一些，这样在做实验的时候能够做一些研究，对于熟练掌握以及优化有

所提升。