《计算机系统结构》实验手册(内容)

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1、计算机系统结构模拟实验手册计算机系统结构模拟实验手册孟昭进刘东升赵斯琴编内蒙古师范大学计算机与信息工程学院二００六年五月·43·计算机系统结构模拟实验手册目录第一部分预备知识31．指令集结构发展概述42．WinDLX简介63．DLX指令集结构73.1DLX的寄存器73.2DLX的数据类型73.3DLX的寻址模式73.4DLX指令格式83.5DLX指令集84．WinDLX模拟器教程134.1WinDLX模拟器的安装134.2开始和配置WinDLX134.3装载测试程序144.4模拟运行程序185．实验中用到的几个.s文件24第二部分实验

2、项目25实验一熟悉WinDLX的使用26一、实验目的26二、实验内容26三、实验报告26实验二DLX流水线结构相关27一、实验目的27二、实验内容27三、实验报告27实验三DLX流水线数据相关28一、实验目的28二、实验内容28三、实验报告28实验四DLX流水线指令调度29一、实验目的29二、实验内容29三、实验报告29实验五编译器对系统性能的影响实验30一、背景知识30二、gcc简介31三、icc简介32·43·计算机系统结构模拟实验手册四、实验目的32五、实验内容32六、实验报告33实验六CPU性能测试实验34一、背景知识34二、

3、实验目的35三、实验内容35四、实验报告35实验七基于Cache的矩阵乘积算法性能改善实验39一、背景知识39二、实验目的40三、实验内容40四、实验报告40参考文献43·43·计算机系统结构模拟实验手册第一部分预备知识·43·计算机系统结构模拟实验手册1．指令集结构发展概述IBM资深专家C.M.Amdahl1964年在介绍IBM360系统时首先提出计算机系统结构（computerarchitecture）的概念：计算机系统结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。这些属性也就是机器语言程序设计者（或编译程序生成系统）

4、为使其设计（或生成）的程序能在机器上正确运行所必需遵循的计算机的属性，即计算机系统软硬件的界面，包括：数据表示，指令集结构，中断系统，存储系统，I/O结构等。其中指令集结构又包括寻址规则、寄存器定义和指令系统等，它是CPU的外在表现形式，是计算机系统结构设计中的核心问题，是软硬件功能分配最主要的界面，是计算机系统结构设计者、系统软件设计者和系统硬件设计者所共同关注的问题。BillJoy（SunMicrosystems公司首席科学家兼首席执行官）曾开玩笑地说，高速缓存（Cache）是计算机科学中唯一重要的思想。事实上，高速缓存确实极大地

5、影响了计算机系统结构的发展。另外，多处理器互连架构也是系统结构研究的一个主要问题。但是，计算机系统结构研究得最多的还是指令集结构。有一种观点认为，今天，CPU周期已经非常富裕，受限的是数据的存取速度。我们拭目以待。在ENIAC时代，基于累加器的指令集结构是在硬件资源十分有限的条件下必然的选择。1963年，Barton和Burroughs的设计师们把B5000设计成了堆栈系统结构，堆栈最上面的两个元素被保存在CPU中作为运算器的输入，而其他部分则保存在内存中。堆栈技术有很好的代码密度，但却只提供了两个高速的存储位置。原始IBM360的论

6、文作者Amdahl，Blaauw，Brooks和原始PDP-11的论文作者Bell等都反对堆栈的组织结构。1964年的IBM360首次提出“有相同系统结构的计算机系列应该能够运行相同软件”的思想，是第一个基于寄存器的指令集结构，拥有寄存器-内存指令和有限的内存-内存指令，360被称为具有360度全方位的通用性，360也因耗资50亿美元，远远超过当时美国政府制造原子弹的“曼哈顿计划”的20亿美元而被称为“世纪豪赌”。而后者（PDP-11）则是CISC的典型代表。20世纪70年代初，人们开始意识到软件价格的增长比硬件价格的增长要快，编译器

7、和操作系统越来越大，许多研究人员希望通过引入强有力的、基于软件的系统结构来缓解软件危机。DEC的VAX系列因此闪亮登场，VAX的设计目标是简化高级语言的编译，其指令集结构是CISC的典范，有300多条指令，十几种寻址方式，指令字长度从1字节到53字节，具有高度的正交性，甚至允许把高级语言的一条语句直接映射为一条机器指令。1991年Bhandarkar和Clark给出了VAX与RISC计算机比较后有关缺点的大量分析，在技术上宣布了VAX的死刑。20世纪80年代初，计算机系统结构开始从为语言提供高级硬件支持的方向转移出来，为了提高CPU执

8、行指令的速度，RISC应运而生。1975年，IBM801开始研制，项目负责人JohnCocke因此获得Eckert-Mauchly奖和Turing奖。1980年，Patterson和他在Berkeley的同事们研发了RI