计算机组成与设计课内实验指导.doc

《计算机组成与设计》课内实验指导
实验一 可执行程序的生成（第1 章）
一、实验目的：
通过了解高级语言源程序和目的机器代码的不同表达及其互相转换，深刻理解高级语言和机器语言之间的关系，以及机器语言和不同体系结构之间的关系。

二、实验规定：
对教材1.4.5 节给出的hello.c 源程序进行编译、链接，最终生成可执行目的代码。

三、实验环节:
1.在Windos环境下用任意一个编辑器编写hello.c程序，拷贝到E:\OpenMIPS目录下。
2.将Windos环境下E:\OpenMIPS\hello.c源程序拷贝到虚拟机/home/目录下。
（1）打开VisualBox，界面如图1所示。

图1 VisualBox主界面
（2）双击OpenRISC_Ubuntu图标，启动虚拟机，界面如图2所示。
（3）打开命令终端，如图3所示，在命令行输入 sudo mount –t vboxsf OpenMIPS /mnt/回车，输入openrisc密码，然后打开虚拟机左上角文献夹，按照目录层次打开 /mnt/文献夹，将/mnt下的hello.c源程序拷贝到当前（/home/）目录下。

图2 虚拟机桌面

图3 命令终端
3.在虚拟机环境下将hello.c编译为MIPS汇编程序。
（1）在命令行输入 mips，在连按两次Tab键，看到如图4所示的mips编译工具列表。

图4 MIPS编译工具
（2）如查看mips-sde-elf-gcc命令使用说明，只要在命令行输入mips-sde-elf-gcc --help。
（3）编译hello.c源程序为汇编代码：在命令行输入mips-sde-elf-gcc –S hello.c回车即可，在当前目录下就生成hello.s汇编程序。
4.将汇编程序汇编为二进制机器代码：在命令行输入mips-sde-elf-as –mips32 hello.s -o hello.o回车即可，在当前目录下就生成hello.o目的代码。
5.进行链接成可执行目的文献。将（/opt/mips-4.3/mips-sde-elf/lib）安装目录下的malta-24kc-ram-hosted.ld文献拷贝到当前（/home/）目录下，在命令行输入mips-sde-elf-ld –T malta-24kc-ram-hosted.ld hello.o –o hello.om，此命令如有问题，用gcc直接编译、汇编、链接成可执行文献，即在命令行输入mips-sde-elf-gcc –T malta-24kc-ram-hosted.ld hello.c –o hello.om即可。
6.在命令行输入mips-sde-elf-run hello.om即可看到运营结果。
7.在虚拟机环境下查看编译汇编、链接后的结果。例如在命令行输入cat hello.s即可看到编译结果。
8.同时在命令行输入mips-sde-elf-objdump –S hello.om即可看到反汇编代码段和数据段。
四、实验报告：
1. 说明你做实验的过程（重要环节用屏幕截图表达）。
2. 给出源程序（文本文献）的内容（用十六进制形式表达）。
3. 给出可执行目的文献（二进制文献）的内容（用十六进制形式表达）。
4. 分析或回答下列问题。
（1）分析同一个源程序在不同机器上生成的可执行目的代码是否相同。
（2）你能在可执行目的文献中找出函数printf ()相应的机器代码段吗？能的话，请标示出来。
（3）为什么源程序文献的内容和可执行目的文献的内容完全不同？

实验二 数据表达和运算（第2、3章）
一、实验目的：
1.通过无符号数和带符号整数之间的互相转换来理解无符号数和补码整数的表达。
2.了解IEEE 754 浮点数在机器中的应用，特别是一些特殊值的解决。
3.了解数据在机器中的存放方式。
4.了解高级语言中数据类型的转换和移位操作结果，从而能更好地理解指令系统设计和计算机硬件设计所需满足的规定和需要考虑的问题。
5.通过检查高级语言中数据运算的不同结果，进一步理解机器代码在CPU 中的执行过程，从而为更好地学习指令系统设计和CPU 设计打下良好的基础。

二、实验规定：
1.验证教材表2.2 中的关系表达式的结果，并编程得出第二章习题8 的表中结果。
2.通过编程得出float 和double 类型的精度（即十进制有效位的位数）。
3.编程检查“-8.0/0”、“sqrt（-4.0）”的运算结果。
4.检查你的机器是大端方式还是小端方式，检查内存变量（如结构或数组）是否按边界对齐。
5.编程实现以下各种操作，分别用十进制和十六进制形式打印输出各种操作的结果：
（1） 给定一个short 型数据 -12345，分别转换为int、unsigned short、unsigned int、float 类型的数据；
（2） 给定一个int 型数据，分别转换为short、unsigned short、unsigned int、float 类型的数据；
（3）给定一个float 型数据123456.789e5，转换成double 型数据；
（4）给定一个double 型数据123456.789e5，转换成float 型数据；
（5）按short 和unsigned short 类型分别对-12345 进行左移2 位和右移2 位操作。
6.编程计算下列表达式的值，分别用十进制和十六进制形式显示各种操作的结果：
（1）unsigned int 型数据： 1+=？；1-=？
（2）int 型数据：+1=？；--1=？
3）float 型数据：(1.0 + 123456.789e30) + (-123456.789e30) = ?；
1.0 + (123456.789e30 + (- 123456.789e30)) = ?

三、实验环节:
1.编写相关运算的C源代码。
2．打开命令终端，在命令行输入 sudo mount –t vboxsf OpenMIPS /mnt/回车，输入openrisc密码，然后打开虚拟机左上角文献夹，按照目录层次打开 /mnt/文献夹，将/mnt下的C源程序拷贝到当前（/home/）目录下。
3．在命令行输入mips-sde-elf-gcc –T malta-24kc-ram-hosted.ld *.c –o *.om生成可执行文献。
4．在命令行输入mips-sde-elf-run *.om检查相关程序运营结果。
5．按照实验一中相应操作，对C源程序进行编译、汇编、链接以及可执行代码的反汇编，分析相关数据在计算机内部的表达和运算过程。

四、实验报告：
1. 说明你做实验的过程（重要环节用屏幕截图表达）。
2. 分析或回答下列问题。
（1）在虚拟机上，-1 用int 类型和unsiged int 类型表达的结果分别是多少？
（2）float类型和double 类型的精度各是多少？
（3）无符号数和带符号整数的扩展操作方式是否相同？各是如何进行的？
（4） 补码整数（如int 型数）是否总能转换为等值的float 类型数据？为什么？
（5） float 型数据是否总能转换成等值的double 型数据？为什么？
（6） 长数被截断成短数后也许发生什么现象？为什么？
（7）将某一源程序生成的可执行文献反汇编，分析反汇编代码并和编译生成的汇编代码进行比较。

实验三 cache和程序访问的局部性（第4章）
一、实验目的：
1.通过实际程序的执行，理解“存储程序”工作方式的自动执行过程。
2.通过检查实际程序的存储空间，了解数据的存储和排列顺序。
3.通过实际程序的执行结果，了解程序访问的局部性对带有cache 的计算机系统性能的影响。

二、实验规定：
1.将helloworld程序编译为汇编程序在QtSpim模拟器上运营。
2．编写以下程序，修改或添加必要的语句（如计时函数等），以计算和打印主体程序段的执行时间。分别以M=100000，N=10、M=1000，N=1000、M=10，N=100000，执行程序A和程序B，以比较两个程序执行时间的长短。
程序段A：
a_r (int M,int N)
{
int i, j, a[M][N];
for (i= 0; i)
for (j= 0; j编语言。
3.按照《附录A MIPSsim的指令列表》、《附录C MIPSsim的汇编语言》文档规定修改汇编程序，适合MIPSsim模拟环境。
4.按照《MIPSsim使用说明》在MIPSsim模拟环境下单步运营并检查内存空间。

四、实验报告：
1. 说明你做实验的过程（重要环节用屏幕截图表达）和执行结果。
2. 对实验结果进行分析，说明局部数据块大小、数组访问顺序等和执行时间之间的关系。

五、附录：
1.SPIM模拟器安装
对于SPIM，可以将QtSpim_9.1.7_Windows解压到某一目录下，然后单击setup.exe或者QtSpim-mingw.msi文献，默认设立直接安装。
2.MIPSsim模拟器安装
对于MIPSsim，需要安装Microsoft .NET Framework组件（dotnetfx.exe），然后直接运营MIPS.exe即可。

实验四 程序的机器级表达及其过程调用（第5章）
一、实验目的：
1.理解MIPS通用寄存器的使用。
2.学会使用MIPS汇编语言编写简朴的程序。
3.理解高级语言过程调用的机器代码表达及其执行过程。

二、实验规定：
对教材例5.10高级语言通过手工转换或交叉编译器编译为MIPS汇编程序，然后在QtSpim模拟器上单步运营，分析堆栈使用情况和过程调用执行过程。

三、实验环节:
1.在Windos环境下用任意一个编辑器将例子中的C语言程序补充完整。
2.结合书中给出的子函数汇编，将C语言程序手工转换为MIPS汇编语言。
3.在QtSpim模拟器单步执行，查看通用寄存器和内存空间的变化。

四、实验报告：
1. 说明你做实验的过程（重要环节用屏幕截图表达）和执行结果。
2. 对实验结果进行分析，程序调用过程中三个子函数的栈指针、帧指针等寄存器内容以及堆栈的内容的异同。

五、附录：
1.MIPS+汇编指令基础。
2.MIPS常用指令。
3.See_MIPS_Run。

实验五 机器指令执行过程（第6章）
一、实验目的：
1.了解数据通路的设计。
2.了解控制器的设计。
3.理解机器指令的执行过程。

二、实验规定：
将OpenMIPS模型进行综合、仿真，分析数据通路与控制器的设计，进一步理解机器指令的执行过程。

三、实验环节:
1.在Windos环境下用Quartus或Synplify工具将OpenMIPS进行综合，查看RTL级网表，分析数据通路与控制器的设计。
2.用Modelsim工具对OpenMIPS进行仿真，分析并进一步理解机器指令执行过程。

四、实验报告：
1. 说明你做实验的过程（重要环节用屏幕截图表达）和执行结果。
2. 对实验过程进行分析，举例说明机器指令执行过程。

五、参考资料：
1. 第3章 教学版OpenMIPS解决器蓝图。