本文共 8456 字，大约阅读时间需要 28 分钟。
文章目录
基于WindLX的计算机系统结构实验，随机输入n个数，求数i的概率
源码：
《计算机系统结构》课程实验
一、实验名称：
随机输入n个数，求数i的概率
二、实验原理：
- WinDLX平台与流水线 WinDLX是一个基于Windows的、图形化、交互式的模拟器，能够演示DLX流水线是如何工作的，它采取伪汇编形式编码，模拟流水线的工作方式。流水线的指令执行分为5个阶段：取指、译码、执行、访存、写回。 WinDLX模拟器还提供了对流水线操作的统计功能，便于对流水线进行性能分析。
- 流水线中的相关及解决办法 （1）结构相关：当某一条机器指令需要访问物理器件时，该器件可能正在被占用，例如连续的两条加法指令都需要用到浮点加法器，就产生结构相关，可以通过增加加法器的方式解决结构相关； （2）数据相关：当某一条指令需要访问某个寄存器时，此时这个寄存器正被另一条指令所使用，从而产生数据相关，可以通过重定向技术解决数据相关； （3）控制相关：当程序执行到某个循环语句时，顺序执行的下一条语句将被跳继续执行循环体的内容，从而产生控制相关，可以通过循环展开解决控制相关。
三、实验目的：
1、加深对流水线理论知识的理解；
2、掌握对流水线性能分析的方法，了解影响流水线效率的因素； 3、熟悉在WinDLX体系结构下的汇编代码编写和优化； 4、了解相关的类型及各类相关的解决办法； 5、培养运用所学知识解决实际问题的能力。四、实验内容：
1、根据WinDLX模拟器伪汇编指令规则编写：随机输入n个数后，求数i的概率的程序gailv.s以及input.s
2、分别按照不同顺序将gailv.s和input.s装入主存，分析输入顺序不同对运行结果产生的影响； 3、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，并提出解决相关的办法； 4、分别考察各类解决的相关办法，分析解决相关后性能的变化。 注意： 除解决结构相关，其他情况下加、乘、除运算器都只有一个。 本问题中所有浮点延迟部件设置为：加法：2个延迟周期；乘法：5个延迟周期；除法：19个延迟周期。五、实验器材（设备、元器件）：
设备：笔记本电脑一台
软件：VMware Workstation 虚拟机：Windows7 32位操作系统 WinDLX模拟器六、实验步骤及操作：
1、初始化WinDLX模拟器
（1）为WinDLX创建目录，C:\WinDLX。将WinDLX和gailv.s、gailv2.s、input.s放在这个目录中。 （2）初始化WinDLX模拟器：点击File 菜单中的 Reset all 菜单项，弹出一个“Reset DLX”对话框，点击窗口中的“确认”按钮即可。如图1所示。图1 初始化模拟器界面
2、将程序装入WinDLX平台
点击File 菜单中的 Load Code or Data 菜单项，依次双击gailv.s和input.s。点击load，将两个程序装入。如图2所示。图2 程序装入界面
3、运行程序并观察
进行单步调试，在WinDLX模拟器的6个子窗口观察程序的执行情况。观察程序运行的总时钟周期，产生的相关种类以及每种相关的数量。
4、解决数据相关
勾选Enable Forwading，采用重定向技术添加专用数据通路减少数据相关，观察数据相关的数量变化。
5、解决结构相关
将Addition Units的数目由1到2，观察结构相关的数量变化。
6、解决控制相关
将gaillv.s的循环体展开形成新文件gailv2.s，采用循环展开的方法减少控制相关，观察控制相关的数量变化。
七、实验数据及结果分析：
1、程序装入顺序对运行结果的影响
先装入gailv.s再装入input.s时，程序能够正确执行；当先装入input.s再装入gailv.s时，因为input.s的地址高，而程序顺序执行到input.s时无法正确地输出，因此不会出现结果。2、主要代码及说明
(1)gailv.s主要代码.dataPrompt: .asciiz "input An integer which is array's size value >=0 : "PromptLast: .asciiz "input an integer :"PromptNum: .asciiz "input an integer>=0 which you need:"PrintfFormat: .asciiz "Probability: %g "PromptError: .asciiz "Error!Need int>=0!Input:(Go:1,other to End)".align 2PrintfPar: .word PrintfFormatPrintf: .space 8PrintfValue: .space 1024.text.global mainmain: ;*** 输入数组大小和相关初始化 addi r1,r0,Prompt ;将Prompt字符串首地址放入r1寄存器中 jal InputUnsigned ;跳转子函数，输入数组大小n bnez r10,Error ;输入异常处理 beqz r1,InputNum ;如果r1为0，跳转InputNum add r2,r0,r1 ;将数组大小n存于r2 add r6,r0,r1 ;将数组大小n存于r6 addi r3,r0,0 ;初始化r3 addi r7,r0,1 ;r7等于1 movi2fp f1,r7 ;f1等于1 addf f2,f2,f0 ;初始化f2,f3,f4 addf f3,f3,f0 addf f4,f4,f0 movi2fp f5,r1 ;将数组大小n存于f5InputArray: ;*** 输入数组 beqz r2, ProcessPart ;如果r2等于0则跳转ProcessPart addi r1,r0,PromptLast ;输入数字 jal InputUnsigned bnez r10,Error sw PrintfValue(r3),r1 ;将r1寄存器中的数放入r3寄存区中所存数地址的存储器中 addi r3,r3,4 ;r3后移 subi r2,r2,1 ;r2减1 j InputArray ;循环输入ProcessPart: addi r3,r0,0 ;初始化r3InputNum: ;*** 输入求概率的数字 addi r1,r0,PromptNum jal InputUnsigned bnez r10,Error add r2,r0,r1 ;保存i到r2 movi2fp f2,r2 ;保存i到f2Loop: ;*** 循环与计数 beqz r6,Output ;如果r6等于0则结束Loop跳转Output subi r6,r6,1 ;r6减1 lf f3,PrintfValue(r3) ;取出r3地址中的数到f3 addi r3,r3,4 ;r3后移 movfp2i r7,f2 movfp2i r8,f3 seq r12,r7,r8 ;如果r7等于r8,r12为1，否则为0 bnez r12,Sum ;r12为不等于0,则跳转到Sum计数，否则继续循环 j Loop ;循环Sum: addf f4,f4,f1 ;计数 j LoopOutput: cvti2d f0,f4 ;单精度转换为双精度 cvti2d f6,f5 movfp2i r5,f5 beqz r5,OutputInner ;分母为0 divd f6,f0,f6 ;f6=f0/f6OutputInner: sd Printf,f6 addi r14,r0,PrintfPar trap 5 ;标准输出 trap 0 ;程序结束Error: addi r1,r0,PromptError jal InputUnsigned bnez r1,main trap 0
（2）input.s主要代码
Loop: ;*** reads digits to end of line lbu r3,0(r2) seqi r5,r3,10 ;LF -> Exit bnez r5,Finish slti r11,r3,58;***判断是否为非法字符 beqz r11,Error slti r10,r3,48 bnez r10,Error subi r3,r3,48 ;转换ASCAII码 multu r1,r1,r4 ;转换十进制 add r1,r1,r3 addi r2,r2,1 ;指针后移 j Loop
3、程序分析及运行结果
（1）根据提示输入一个正整数n代表接下来输入的数的总个数。
测试用例：n=5。（2）再根据提示输入n个数字。
测试用例：1，2，3，3，4（3）输入想要求概率的数i。
测试用例：3图3 运行结果截图
由图3可知运行结果为0.4，计算结果正确。
（4）异常处理：输入任何不是自然数的字符，如：负数，小数，以及其他非法字符均会提示错误。异常处理结果如图4所示。
图4 异常处理结果截图
（5）点击Statistics窗口，查看程序执行的时钟周期以及数据相关、结构相关、控制相关的发生次数。
程序执行共用621个时钟周期，数据相关发生172次，结构相关发生2次，控制相关发生42次，如图5所示。图5 时钟周期和相关数据截图
4、数据相关及解决
（1）数据相关产生的原因
movfp2i r8,f3seq r12,r7,r8 ;如果r7等于r8,r12为1，否则为0 bnez r12,Sum ;r12为不等于0,则跳转到Sum计数，否则继续循环
seq指令要使用r8寄存器的数据，但是上一条指令movfp2i刚刚执行完数据还没有更新，产生数据相关，并且之后的bnez指令也需要上一条seq指令的中还没更新的寄存器r12，产生数据相关，如图6所示。
图6 数据相关截图
（2）数据相关的解决
采用重定向技术，勾选Configuration的Enable Forwading选项。在第一条指令结束后直接将寄存器r8的内容更新，在第二条指令结束后直接将寄存器r12数据更新，以此来消除数据相关，如图7所示。
图7 解决数据相关截图
查看运行结果，数据相关数量降低了64，处理后的数据相关个数为108，如图8所示。
图8 解决数据相关的数据截图
5、控制相关及解决
（1）控制相关的产生原因
Loop: ;*** 循环与计数 beqz r6,Output ;如果r6等于0则结束Loop跳转Output subi r6,r6,1 ;r6减1 lf f3,PrintfValue(r3) ;取出r3地址中的数到f3 addi r3,r3,4 ;r3后移 movfp2i r7,f2 movfp2i r8,f3 seq r12,r7,r8 ;如果r7等于r8,r12为1，否则为0 bnez r12,Sum ;r12为不等于0,则跳转到Sum计数，否则继续循环 j Loop ;循环
在这段程序中，循环体的出现造成了控制相关。
（2）控制相关的解决
采用循环展开的方式将循环体的内容复制一次。可以降低控制相关的个数。如下：
Loop: ;*** 循环与计数 beqz r6,Output ;如果r6等于0则结束Loop跳转Output subi r6,r6,1 ;r6减1 lf f3,PrintfValue(r3) ;取出r3地址中的数到f3 addi r3,r3,4 ;r3后移 movfp2i r7,f2 movfp2i r8,f3 seq r12,r7,r8 ;如果r7等于r8,r12为1，否则为0 bnez r12,Sum ;r12为不等于0,则跳转到Sum计数，否则继续循环 beqz r6,Output ;如果r6等于0则结束Loop跳转Output subi r6,r6,1 ;r6减1 lf f3,PrintfValue(r3) ;取出r3地址中的数到f3 addi r3,r3,4 ;r3后移 movfp2i r7,f2 movfp2i r8,f3 seq r12,r7,r8 ;如果r7等于r8,r12为1，否则为0 bnez r12,Sum ;r12为不等于0,则跳转到Sum计数，否则继续循环 j Loop ;循环
重新运行后控制相关数量减少为40，如图9所示。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-j6sjzazP-1594038417510)(https://cdn.jsdelivr.net/gh/Justlovesmile/CDN2/post/20200614120000.png)]
图9 解决控制相关的数据截图
6、结构相关及解决
（1）结构相关产生的原因
addf f2,f2,f0 ;初始化f2,f3,f4addf f3,f3,f0addf f4,f4,f0
在这段语句运行时需要连续进行加操作，由于加法器只有一个，产生结构相关。
（2）结构相关的解决
添加加法器Addition Units的个数，如图10所示。
图10 增加加法器Addition Units界面的截图
再次运行程序可以发现结构相关数量降低，降低到0个，如图11所示。
图11 解决结构相关的数据截图
7、程序流程图
如图12所示。
图12 程序流程图
八、实验结论：
- 通过采用重定向技术减少了数据相关；
- 通过循环展开的方式将循环体的内容展开来减少控制相关；
- 通过增加硬件的数目来减少结构相关；
- 执行程序的顺序会影响程序执行是否正确，必须先执行源程序gailv.s，再执行input.s；修改后的程序必须清空之前所有的操作（reset all）之后再重新运行。
转载地址：http://ibgwi.baihongyu.com/