21世纪高等学校计算机类专业核心课程系列教材-计算机系统结构实践教程(第3版)

\\\"本书设计了8个实验： MIPS指令系统和MIPS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。本书覆盖面广,内容丰富，书中的实验是基于 MIPS 指令集结构的，并提供了实验所需相关知识的介绍,可以与大多数系统结构教材配合使用。本书还提供了专门为系统结构实验开发的一套运行于Windows平台的模拟器，该套模拟器界面友好，使用方便，交互性强。 本书可作为高等院校“系统结构”课程以及“计算机组成与结构”课程的实验教材,也可作为自学者的辅助教材。 \\\"

实验3指令调度和延迟分支 实验3指令调度和延迟分支 3.1实验目的 (1) 加深对指令调度技术的理解。 (2) 加深对延迟分支技术的理解。 (3) 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。 (4) 进一步理解指令调度技术对CPU性能的改进。 (5) 进一步理解延迟分支技术对CPU性能的改进。 3.2实验平台 实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器 MIPSsim。 设计： 张晨曦教授，版权所有。 3.3实验内容和步骤 首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法(见1.4节) 。 (1) 启动MIPSsim。 (2) 根据2.5节的相关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(双击各段，就可以看到各流水寄存 器的内容)。 (3) 选择“配置”→“流水方式”选项，使模拟器 工作于流水方式下。 (4) 用指令调度技术解决流水线中的结构冲突与数 据冲突。 ① 启动MIPSsim。 ② 选择MIPSsim的“文件”→“载入程序”选项来 加载schedule.asm(在模拟器所在文件夹下的“样例程 序”文件夹中)。 ③ 关闭定向功能。这是通过在“配置”菜单中关 闭“定向”(使该项前面没有√号)来实现的。 ④ 执行所载入的程序。通过查看统计数据和时钟 周期图，找出并记录程序执行过程中各种冲突发生的次 数、发生冲突的指令组合，以及程序执行的总时钟周期 数。 ⑤ 采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除 冲突。将调度后的程序保存到afterschedule.asm中 。 ⑥ 载入afterschedule.asm。 ⑦ 执行该程序，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。 ⑧ 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性能的作用。 (5) 用延迟分支减少分支指令对性能的影响。 ① 启动MIPSsim。 ② 载入branch.asm。 ③ 关闭延迟分支功能。这是通过选择“配置”→ “延迟槽”选项来实现的。 ④ 执行该程序。观察并记录发生分支延迟的时刻 。

实验1 MIPS指令系统和MIPS体系结构 1.1 实验目的 1.2 实验平台 1.3 实验内容和步骤 1.4 MIPSsim使用手册 1.4.1 启动模拟器 1.4.2 MIPSsim的窗口 1.4.3 MIPSsim的菜单 1.5 相关知识： MIPS指令系统 1.5.1 MIPS的寄存器 1.5.2 MIPS的数据表示 1.5.3 MIPS的数据寻址方式 1.5.4 MIPS的指令格式 1.5.5 MIPS的部分指令介绍 1.5.6 汇编程序举例 实验2 流水线及流水线中的冲突 2.1 实验目的 2.2 实验平台 2.3 实验内容和步骤 2.4 MIPSsim使用手册 2.5 相关知识： 流水线、相关与冲突 2.5.1 一条经典的5段流水线 2.5.2 相关与流水线冲突 2.5.3 流水线的实现 实验3 指令调度和延迟分支 3.1 实验目的 3.2 实验平台 3.3 实验内容和步骤 3.4 MIPSsim使用手册 3.5 相关知识： 指令调度和延迟分支 3.5.1 指令调度 3.5.2 延迟分支 实验4 Cache性能分析 4.1 实验目的 4.2 实验平台 4.3 实验内容和步骤 4.3.1 Cache容量对不命中率的影响 4.3.2 相联度对不命中率的影响 4.3.3 Cache块大小对不命中率的影响 4.3.4 替换算法对不命中率的影响 4.4 MyCache模拟器使用方法 4.5 相关知识： Cache的基本原理 4.5.1 Cache的映像规则 4.5.2 查找方法 4.5.3 替换算法 4.5.4 写策略 4.5.5 改进Cache性能 4.5.6 三种类型的不命中 4.5.7 降低不命中率的方法 4.5.8 分离Cache和混合Cache 实验5 Tomasulo算法 5.1 实验目的 5.2 实验平台 5.3 实验内容和步骤 5.4 Tomasulo算法模拟器使用方法 5.5 相关知识： Tomasulo算法 5.5.1 基本思想 5.5.2 具体算法 实验6 再定序缓冲（ROB）工作原理 6.1 实验目的 6.2 实验平台 6.3 实验内容和步骤 6.4 ROB模拟器使用方法 6.5 相关知识： 再定序缓冲(ROB) 实验7 多Cache一致性——监听协议 7.1 实验目的 7.2 实验平台 7.3 实验内容和步骤 7.4 监听协议模拟器使用方法 7.5 相关知识： 监听协议 7.5.1 基本思想 7.5.2 监听协议的实现 实验8 多Cache一致性——目录协议 8.1 实验目的 8.2 实验平台 8.3 实验内容和步骤 8.4 目录协议模拟器使用方法 8.5 相关知识： 目录协议 8.5.1 目录协议的基本思想 8.5.2 目录协议实例 附录A MIPSsim的指令列表 附录B MIPSsim的指令系统 附录C 模拟器MIPSsim的汇编语言