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计算机体系结构实验二——DLX/MIPS/RISC-V指令格式

时间:2023-09-21 19:19:05

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计算机体系结构实验二——DLX/MIPS/RISC-V指令格式

本次实验的主要目的是熟悉DLX-MIPS的指令格式,并初步了解RISC-V的指令格式。实验分为两个部分。

1. 熟悉winDLX模拟器,并完成以下实验及分析:

A. 参考提供的资料,学习winDLX模拟器的各窗口及各项功能。

答:我首先下载了VMware虚拟机,通过安装Windows XP系统,将winDLX模拟器放在虚拟机环境下运行。

因为在正常系统环境下:

所以需要使用虚拟机配置合适的版本,刚好我们去年的汇编与接口技术的课程中使用了VMware虚拟机,所以本次实验也使用该虚拟机实现环境的配置。我这里打开之后并不是教程中的那种图标子窗口,但是后续实验过程中这六个子窗口的功能实现都是正常的。

winDLX的各个窗口的功能:

statistics:提供各个方面的信息:模拟中硬件配置情况、暂停及原因、条件分支、 Load/Store指令、浮点指令和traps。窗口中给出事件发生的次数和百分比,如RAW stalls:17(7.91 % of all Cycles)

clock cycle diagram:显示流水线的时空图

pipeline:用图表形示显示了DLX的五段流水线

code:看到代表存储器内容的三栏信息,从左到右依次为:地址 (符号或数字)、命令的十六进制机器代码和汇编命令

register:显示各个寄存器中的内容

breakpoint:断点设置

B. 运行FACT.S, GCM.S, PRIM.S程序,了解各程序的功能。要求详细分析PRIM.S程序的指令及功能(Obersve the memory areas in bytes for prime numbers)。

答:1.运行FACT.S程序:

FACT.S程序的功能:计算输入的数据的阶乘。例如上图中我输入的是6,那么输出的结果就是12345*6=720.

2.运行GCM.S程序:

GCM.S程序的功能:计算输入的两个数据的最大公约数。例如上图中我输入的是20和15,那么最后得到的结果就是两者的最大公约数5.

3.运行PRIM.S程序:因为PRIM.S程序中没有设置结果的输出,所以直接执行的话看到的结果是空的,即I/O界面没有任何显示,但是我们通过阅读代码和之前的winDLX介绍了解到,这个程序中计算得到的十个素数都是存在了table中,所以可以使用memory display功能进行数据的查询,可以看到PRIM程序得到的十个素数:

PRIM.S程序功能:PRIM.S程序的功能就是计算前count个素数。在程序中count的数值为10,所以结果是如上图所示的2,3,5,7,11,13,17,19,23,29.

PRIM.S指令的具体分析:下图为我在电脑上对整个PRIM.S程序进行的注释说明。(因为直接把文本放在这里会有很多换行,比较乱,所以放的截图)

程序指令的简要文字说明:

i. 初始的数值定义:count=10,根据count的大小分配table的空间。

ii. 定义了三个寄存器的初始值:

r1:新来的素数要放在table中的位置,初始值为0

r2:遍历查看的所有整数,初始值为2

r3:用来查看一个数是不是整数时用来遍历table和r2求余数的指针

iii. 从r2=2开始,每次加1,这样可以遍历所有的正整数,对于每一个r2都进行一遍遍历table中的所有素数并求余的操作,如果r2对所有比他小的素数都不可以整除的话,就说明r2也是一个素数,就放进table(r1)中。r1+4,r2+1,重复上述过程。

C. 对于FACT.S程序,请从中选出3-5条不同的指令,并分别指出它是哪种指令(R-type,I-type,还是J-type),并参照教科书2-28页中的图2.19(如下所示),填写指令格式中各个域的二进制值。为了清楚起见,最好用填表的形式。注:分析指令各域应该填写数值的原因。

在FACT.S程序中选择的指令:

1.addi r1,r0,0x1000(0x20011000)

2.jal InputUnsigned (0x0c00003c)

3.multd f2,f2,f0 (0x04401006)

4.sw SaveR2(r0),r2 (0xac021094)

分析:

1.一指令:属于是和立即值相关的ALU指令,所以属于I类指令,指令前6位作为操作码,后五位是源寄存器,再后五位是目的寄存器,最后是立即值

2.二指令:是标准的跳转指令,前6位作为操作码,之后全是地址

3.三指令:属于寄存器-寄存器的操作,是R类指令,其中前6位是操作码的简单区分,后11位是操作码的细致区分。中间是两个源寄存器和一个目的寄存器。

4.四指令:属于是load-store操作,也是标准的I类指令,其中前6位是操作码,之后是源寄存器,目的寄存器,偏移量。

D. 请通过CODE窗口的各种选项查看数据,进而判断出DLX是big-endian还是little-endian,为什么(结合实验中的观察分析)?是否是对齐的(aligned)?

答: DLX是大端排序,是对齐的。

大端排序:可以通过winDLX中的memory display功能进行查看:

上图为执行PRIM.S程序的时候内存中的存储情况,其中右上角的10就是设定好的count=10,后面的就是十个素数,可以看到都是最低有效位在高地址处,所以是标准的大端排序。

在对齐部分:我没有找到比较好的说明的数据,因为指令和数据都是32位存储,所以没有显现对齐问题的地方。

2. 了解RISC-V的在线模拟器Venus的使用方法。包括如下内容:

A. 参考提供的资料,学习RISC-V的在线模拟器Venus的用法。

答:已经阅读了课程平台提供的Venus的使用教程

B. 程序ex1.s的功能是什么?程序运行完后,得出的结果是什么?

答:程序exl.s的功能是计算数列a[n]=a[n-1]+a[n-2]的值,其中a[0]=0,a[1]=1,本题中计算的是a[n]的数值,因为在Data段定义了n=9,所以后面的到的结果就是34:

C. 对于ex1.s程序,请从中选出3-5条不同的指令,并对于其中每条指令,指出它是哪种指令。请注意:RISC-V的指令格式分6种(除了R-type,I-type,J-type,还有U-type, S-type, B-type),并填写指令格式中各个域的二进制值。

选择的指令如下:

1.add x5 x0 x0 (0x000002B3)

2.lw x28 0(28) (0x000E2E03)

3.beq x28 x0 24 (0x000E0C63)

4.jal x0 -20 (0xFEDFF06F)

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