名 称

描 述

实验内容

学 时

流水线指令调度

通过本实验，理解指令调度的方法，掌握使用VC开发平台模拟处理机内部指令流调度的编程策略。

给定要执行的任务和执行该任务的流水线结构，编写程序模拟在示例流水线执行，在屏幕上输出任务调度序列及运行所需时间。用时空图方式模拟该任务的运行，对比二者的结果。

加法乘法静态多功能流水线调度

通过本实验，掌握静态多功能流水线指令调度的方式，理解重构指令序列对指令执行性能的影响，了解在处理机中指令调度的一般方式。

给定要执行的任务和执行该任务的静态多功能流水线结构，编写程序模拟在静态多功能流水线上任务的执行，在屏幕上输出任务调度序列及运行所需时间；用时空图方式模拟该任务的运行，对比二者的结果。

加法乘法动态多功能流水线调度

通过本实验，掌握加法乘法动态双功能指令调度的方式，理解静态多功能流水线和动态多功能流水线在调度模式上的区别，了解指令并行度上限的概念。

给定要执行的任务和执行该任务的动态多功能流水线结构，编写程序模拟在动态多功能流水线任务的执行，在屏幕上输出任务调度序列及运行所需时间；用时空图方式模拟该任务的运行，对比二者的结果。

页面置换算法性能分析等

通过本实验，掌握LRU、FIFO页面置换算法，理解堆栈型算法，了解页面置换算法对虚拟存储系统性能的影响。

给定页面地址流。使用VC开发模拟程序，模拟在不同实页情况下，FIFO和LRU置换算法对实页的使用情况，假定访问实页的时间为 ，访问辅存的时间为100  计算并在屏幕上输出对应该页地址流在不同实页数和置换算法的情况下的访问时间。多次更改页地址流，重复上述操作，记录时间，观测在FIFO和LRU算法下访问时间和实页数的关系。根据结果理解堆栈型算法。

名 称

描 述

实验内容

学 时

熟悉WinDLX的使用

通过本实验，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。

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. 用WinDLX模拟器执行程序gcm.s 。
该程序从标准输入读入两个整数，求他们的greatest common measure，然后将结果写到标准输出。
该程序中调用了input.s中的输入子程序。
3. 用WinDLX模拟器执行求素数程序prim.s。
这个程序计算若干个整数的素数。
4. 通过上述使用WinDLX，总结WinDLX的特点。

结构相关

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。

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。

数据相关

通过本实验，加深对数据相关的理解，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。

1. 在不采用定向技术的情况下（通过Configuration菜单中的Enable Forwarding选项设置），用WinDLX模拟器运行程序data_d.s 。
2. 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。
3. 在采用定向技术的情况下，用WinDLX模拟器再次运行程序data_d.s。
4. 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。
5. 根据上面记录的数据，计算采用定向技术后性能提高的倍数。

指令调度

通过本实验，加深对指令调度的理解，了解指令调度技术对CPU性能改进的好处。

1. 通过Configuration菜单中的“Floating point stages”选项，把除法单元数设置为3，把加法﹑乘法﹑除法的延迟设置为3个时钟周期。
2. 用WinDLX模拟器运行调度前的程序sch-before.s 。记录程序执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数。
3. 用WinDLX模拟器运行调度后的程序sch-after.s ，记录程序执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数。
4. 根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。
5. 论述指令调度对于提高CPU性能的意义。

• 实验1 流水线指令调度

1. 实验项目的目的和要求：通过本实验，理解指令调度的方法，掌握使用VC开发平台模拟处理机内部指令流调度的编程策略。
2. 实验内容：给定要执行的任务和执行该任务的流水线结构，编写程序模拟在示例流水线执行，在屏幕上输出任务调度序列及运行所需时间。用时空图方式模拟该任务的运行，对比二者的结果。
3. 给定任务：EX： ai

对该任务进行分解，减少相关   a1+a2;  a3+a4   a1+a2+a3+a4
 

1. 给定流水线：

该流水线为加法流水线，共四段，各部件用时均为△t

• 使用VC开发模拟程序：创建工程，用队列模拟输入和输出，用加法类模拟加法流水线，用定时器模拟每个单位时间流水线的流动。
• 在屏幕上显示加法流水线流动的过程，并计算完成任务所需单位时间数。
• 更改任务中加法的次数，记录各次时间花费，并画出时空图，验证模拟程序中计算得到的时间和时空图模拟的时间是否一致，以验证模拟程序的正确性。

• 实验2加法乘法静态多功能流水线调度

1. 实验项目的目的和要求：通过本实验，掌握静态多功能流水线指令调度的方式，理解重构指令序列对指令执行性能的影响，了解在处理机中指令调度的一般方式。
2. 实验内容：给定要执行的任务和执行该任务的静态多功能流水线结构，编写程序模拟在静态多功能流水线上任务的执行，在屏幕上输出任务调度序列及运行所需时间；用时空图方式模拟该任务的运行，对比二者的结果。
1. 给定任务：EX： aibi

对该任务进行合理分解： 首先计算8个乘法 再计算7个加法

1. 给定流水线：

其中1-2-3-5组成加法流水线，1-4-5组成乘法流水线，各部件用时均为△t
加法和乘法不能同时执行。

• 使用VC开发模拟程序：创建工程，用队列模拟输入和输出，用加法类模拟加法流水线，用乘法类模拟乘法流水线，用定时器模拟每个单位时间流水线的流动。加法类和乘法类必须有一个为空。
• 在屏幕上显示加法流水线流动的过程，并计算完成任务所需单位时间数。
• 更改任务中加法的次数，记录各次时间花费，并画出时空图，验证模拟程序中计算得到的时间和时空图模拟的时间是否一致，以验证模拟程序的正确性。

• 实验3 加法乘法动态多功能流水线调度

1. 实验项目的目的和要求：通过本实验，掌握加法乘法动态双功能指令调度的方式，理解静态多功能流水线和动态多功能流水线在调度模式上的区别，了解指令并行度上限的概念。
2. 实验内容：给定要执行的任务和执行该任务的动态多功能流水线结构，编写程序模拟在动态多功能流水线任务的执行，在屏幕上输出任务调度序列及运行所需时间；用时空图方式模拟该任务的运行，对比二者的结果。
3. 给定任务：EX： aibi

对该任务进行合理分解： 首先执行加法，其结果作为乘法的数据源，只要有两个源可用，就可以进行乘法

1. 给定流水线：

其中1-2-3-5组成加法流水线，1-4-5组成乘法流水线，各部件用时均为△t
加法和乘法可以同时执行。

• 使用VC开发模拟程序：创建工程，用队列模拟输入和输出，加法的结果保存在中间结果队列中作为乘法的输入源，用加法类模拟加法流水线，用乘法类模拟乘法流水线，用定时器模拟每个单位时间流水线的流动。单个时钟内加法类和乘法类只能有一个接受两个输入开始计算。
• 在屏幕上显示加法流水线流动的过程，并计算完成任务所需单位时间数。
• 更改任务中加法的次数，记录各次时间花费，并画出时空图，验证模拟程序中计算得到的时间和时空图模拟的时间是否一致，以验证模拟程序的正确性。
• 通过上述三个实验，思考并行和调度策略、流水线类型的关系，对于某个给定的任务，是否存在某个理论上的极限值，不论采用何种流水线和调度方式，该任务的执行时间不可能超越该极限值。如果存在，该极限值有什么决定，如何计算。

• 实验4 页面置换算法性能分析

• 实验项目的目的和要求：通过本实验，掌握LRU、FIFO页面置换算法，理解堆栈型算法，了解页面置换算法对虚拟存储系统性能的影响。
• 实验内容：给定页面地址流。使用VC开发模拟程序，模拟在不同实页情况下，FIFO和LRU置换算法对实页的使用情况，假定访问实页的时间为 ，访问辅存的时间为100  计算并在屏幕上输出对应该页地址流在不同实页数和置换算法的情况下的访问时间。多次更改页地址流，重复上述操作，记录时间，观测在FIFO和LRU算法下访问时间和实页数的关系。根据结果理解堆栈型算法。
• 给定页地址流：2,3,2,1,5,1,4,5,3,2,5,2
• 用堆栈法画图计算该页地址流在1-5个实页情况下，使用FIFO和LRU算法的页面命中情况并计算所需时间：
• 使用VC开发模拟程序：创建工程，创建FIFO算法的模拟页面调度器和LRU算法的模拟页面调度器，对给定页地址进行模拟实页调度。在屏幕上输出对应于不同实页数时的访问时间，与步骤2）中的结果进行比对。
• 使用多个不同的页地址流进行模拟，并保存每次模拟的结果。
• 对结果进行分析，判断两种调度算法的优劣，判断其中那种算法是堆栈型算法。

• 实验一 熟悉WinDLX的使用

实验目的：
通过本实验，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。
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. 用WinDLX模拟器执行程序gcm.s 。
该程序从标准输入读入两个整数，求他们的greatest common measure，然后将结果写到标准输出。
该程序中调用了input.s中的输入子程序。
3. 用WinDLX模拟器执行求素数程序prim.s。
这个程序计算若干个整数的素数。
4. 通过上述使用WinDLX，总结WinDLX的特点。

• 实验二 结构相关

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。
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。

• 实验三 数据相关

实验目的：
通过本实验，加深对数据相关的理解，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。
实验内容：
1. 在不采用定向技术的情况下（通过Configuration菜单中的Enable Forwarding选项设置），用WinDLX模拟器运行程序data_d.s 。
2. 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。
3. 在采用定向技术的情况下，用WinDLX模拟器再次运行程序data_d.s。
4. 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。
5. 根据上面记录的数据，计算采用定向技术后性能提高的倍数。

• 实验四 指令调度

实验目的：
通过本实验，加深对指令调度的理解，了解指令调度技术对CPU性能改进的好处。
实验内容：
1. 通过Configuration菜单中的“Floating point stages”选项，把除法单元数设置为3，把加法﹑乘法﹑除法的延迟设置为3个时钟周期。
2. 用WinDLX模拟器运行调度前的程序sch-before.s 。记录程序执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数。
3. 用WinDLX模拟器运行调度后的程序sch-after.s ，记录程序执行过程中各种相关发生的次数以及程序执行的总时钟周期数。
4. 根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。
5. 论述指令调度对于提高CPU性能的意义。