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计算机系统结构实验 实验三：DLX 流水线运行分析 一、实验目的 通过本实验，熟悉 WinDLX 模拟器的操作和使用，了解 DLX 指令集结构及其特点。 二、实验内容 (1) 用 WinDLX 模拟器执行求阶乘程序 fact.s 。执行步骤详见“WinDLX教程” 。 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。 （2） 输入数据 “3” 采用单步执行方法， 完成程序并通过上述使用 WinDLX， 总结 WinDLX的特点。 注意观察变量说明语句所建立的数据区，理解 WinDLX 指令系统。 三、实验步骤 1.双击 Code 图标，从左到右依次为代表存储器内容的三栏信息：地址 (符号或数字)、命令的十六进制机器代码和汇编命令。 点击主窗口中的 Execution 开始模拟。按 F7 键开始执行。这时，窗口中带有地址“$TEXT”的第一行变成黄色。按下 F7 键，模拟就向前执行一步，第一行的颜色变成橘黄色，下一行变成黄色。这些不同颜色指明命令处于流水线的哪一段。命令“jalInputUnsigned”在 IF 段， “addi r1, r0, 0x1000”在第二段 ID。其他方框中带有一个“X”标志，表明没有处理有效信息。 2.再次按下 F7 键，代码窗口中的颜色会再改变，红色表明命令处入第三段“intEX”。 再按下 F7，在代码窗口中，黄色出现在更下面的位置，并且是唯一彩色行。 打开 Clock Cycle Diagram 窗口。它显示流水线的时空图。 第一条命令正在 MEM 段，第二条命令在 intEX 段，第四条命令在 IF 段。而第三条命令指示为“aborted”。其原因是：第二条命令（jal）是无条件分支指令，但只有在第三个时钟周期， jal 指令被译码后才知道，这时，下一条命令 movi2fp 已经取出，但需执行的下一条命令在另一个地址处，因而，movi2fp 的执行应被取消，在流水线中留下气泡。 3.当通过 Code 窗口观察代码时，接下来的几条指令几近一样，它们都是 sw-操作：将寄存器中的数写入存储器中。重复按 F7 将很枯燥，因此使用断点加快此过程。现在，指向 Code 窗口中包含命令 trap 0x5 的 0x0000013c 行，此命令是写屏幕的系统调用。单击命令行，然后点击主窗口菜单 Code，单击 Set Breakpoint (确保命令行仍被标记！)，将弹出一个新的“Set Breakpoint”窗口。通过此窗口，你可以选择命令运行到流水线的哪一阶段时，程序停止执行。缺省为 ID 段。点击 OK 关闭窗口。 在 Code 窗口中， trap 0x5 行上出现 了“BID”，它表示当本指令在译码段时，程序中止执行。 现在点击 Execution / Run 或按 F5，模拟就继续运行，弹出窗口，输入14。 会出现一个对话框提示你“ID-Stage: reached at Breakpoint #1”，按确认按钮关闭。 点击 Clock cycle diagram 窗口中的 trap 0x5 行，你将看到模拟正处于时钟周期 14。 trap 0x5 行如下所示： 原因是：无论何时遇到一条trap 指令时，DLX 处理器中的流水线将被清空。在Information 窗口（双击trap 行弹出）中，在IF 段显示消息“3 stall(s) because of Trap-Pipeline-Clearing!”。 指令 trap 0x5 已经写到屏幕上，你可以通过点击主窗口菜单条上的 Execute /Display DLX-I/O 来查看。 四、实验要求 为进一步模拟，点击 Code 窗口，用箭头键或鼠标向下滚动到地址为 0的那一行（指令是 lw r2, SaveR2(r0)），点击此行，点击 Code / Set Breakpoint / OK，在这一行上设置一个断点。采用同样的方法，在地址 0x000001a4（指令 jar r31）处设置断点。 现在按 F5 继续运行。 这时， 会弹出 DLX-Standard-I/O 窗口，键入 20 然后按 Enter，模拟继续运行到断点 # 2 处。 在Clock cycle diagram 窗口中，在指令之间出现了红和绿的箭头。红色箭头表示需要一个暂停，箭头指向处显示了暂停的原因。R-Stall（R-暂停）表示引起暂停的原因是RAW。绿色箭头表示定向技术的使用。 双击主窗口中的Register 图标。Register 窗口会显示各个寄存器中的内容。看一下R1 到R5 的值。