计算机组成与体系结构

实验安排

• 20' week1~4 MIPS程序设计
• 30' week5~8 单周期MIPS处理器
• 30' week9~12 多周期MIPS处理器
• 20'week13~16 cache模拟器

实验条件

• 计算机
  • Vivado19.02
  • QtSPIM
  • MingW64编译器
  • vscode
• 实验板NEXYS4 DDR XC7A100T

实验简介

lab1: MIPS程序设计

实验目的

• 熟悉QtSPIM模拟器；
• 熟悉编译器、汇编程序和链接器；
• 熟悉MIPS体系结构的计算，包括
  • MIPS的数据表示；
  • 熟悉MIPS指令格式和寻址方式；
  • 熟悉MIPS汇编语言；
  • 熟悉MIPS的各种机器代码表示，包括
    • 选择结构；
    • 循环结构；
    • 过程调用：调用与返回、栈、调用约定等；
    • 系统调用。

实验任务

1. 调试给定程序

调试给定的程序p1.asm，p2.asm和p3.asm，记录程序运行的结果。

2.改写程序

改写程序p1.asm，使用MIPS汇编指令和QtSPIM模拟器，接收两个整数，计算结果后输出。典型的运行例子如下：

Please enter 1st number: 20
Please enter 2nd number: 50
The result of 20 & 50 is: 70
Do you want to try another(0—continue/1—exit):

3.C代码翻译为MIPS代码

把下面的C代码翻译成MIPS代码

#include <stdio.h>
int sumn(int *arr, int n)
{
  int sum = 0;
  for (int idx = 0; idx < n; idx++)
  sum += arr[idx];
  return sum;
}
int main()
{
  int arrs[] = {9, 7, 15, 19, 20, 30, 11, 18};
  int N = 8;
  int result = sumn(arrs, N);
  printf("The result is: %d", result);
  return 0;
}

4.代码优化

请仔细阅读参考文献的第3章，编写一个名为fib-op.asm文件，使得其性能优于fib-o.asm；并解释为什么

lab2 单周期MIPS处理器

实验目的

• 熟悉Vivado软件
• 熟悉在Vivado软件下进行硬件设计的流程
• 设计单周期MIPS处理器，包括：
  • 完成单周期MIPS处理器的设计
  • 在Vivado软件上进行仿真
  • 编写MIPS代码验证单周期MIPS处理器
  • 在NEXYS4 DDR板上进行验证

实验任务

1.设计单周期MIPS处理器

单周期MIPS处理器包含的指令（共15条）如下：

• add,sub,addi
• and,or,andi,ori
• slt,slti
• sw,lw
• beq,bne
• j
• nop

2.仿真

3.验证

4.板上验证

lab3 多周期MIPS处理器

实验目的

• 设计多周期处理器，包括：
  • 完成多周期MIPS处理器的设计
  • 在Vivado软件上进行仿真
  • 编写MIPS代码验证多周期MIPS处理器
  • 在NEXYS4 DDR班上进行验证

实验任务

1. 设计多周期MIPS处理器

多周期MIPS处理器包含的指令（共15条）如下：

• add,sub,addi
• and,or,andi,ori
• slt,slti
• sw,lw
• beq,bne
• j
• nop

2. 仿真

3. 验证

4. 板上验证

lab4 构建cache模拟器

实验目的

• 完成cache模拟器
• 理解cache块大小对cache性能的影响
• 理解cache总大小对cache性能的影响
• 理解cache替换策略对cache性能的影响
• 理解cache写回策略对cache性能的影响