计算机组成原理(计算机系统3)--实验一:WinMIPS64模拟器实验
一、实验目标：
了解WinMIPS64的基本功能和作用；
熟悉MIPS指令、初步建立指令流水执行的感性认识；
掌握该工具的基本命令和操作，为流水线实验做准备。
二、实验内容
按照下面的实验步骤及说明，完成相关操作记录实验过程的截图：
1）下载WinMIPS64；运行样例代码并观察软件各个观察窗口的内容和作用，掌握软件的使用方法。
2）学会正确使用WinMIPS64的IO方法。
3）编写完整的排序程序。
三、实验环境
硬件：桌面PC
软件：Windows，WinMIPS64仿真器
四、WinMIPS64软件使用
1）安装
解压给出的winmips64.zip压缩文件到给定的工作目录中（如在我的电脑中的路径是E:\winmips64）。
2）开始和配置WinMIPS64
双击winmips64.exe文件后，打开了WinMIPS64模拟器。
在主窗口中，我们可以看见七个子窗口，和一条在底部的状态栏。这七个子窗口分别是Pipeline, Code, Data,Registers, Statistics, Cycles和Terminal。这七个窗口的作用如下：
- Pipeline窗口： 展示MIPS64处理器的五级流水线结构及浮点操作单元，指示当前指令在不同流水段的状态。
- Code窗口： 显示存储器内容，包括地址、机器代码和汇编指令。通过颜色标识指令处于“取指”、“译码”等不同阶段。
- Cycles窗口： 显示流水线的时空图，指令执行过程的可视化，帮助识别指令间的依赖关系和数据停滞情况。
- Data窗口： 观察内存中的数据，包括地址和内容。可通过双击或右键修改整型或浮点型数据。
- Registers窗口： 显示寄存器中的值，指示当前写入和前递状态。允许用户交互式修改寄存器值。
- Statistics窗口： 记录模拟周期的统计数据，包括指令数、执行周期数、暂停周期数等，提供性能分析信息。
- Terminal窗口： 显示运行过程中输出的信息和状态，如数据相关的错误提示等，帮助用户调试和理解模拟过程。
3）装载测试程序
用标准的text编辑器来新建一个名为sum.s的文件，这个文件的功能是，计算两个整数A、B之和，然后将结果传给C。
首先使用asm.exe程序检测一下sum.s是否合法，检测方法为用命令行输入asm.exe 目标检测文件（.\asm.exe .\sum.s），可以发现下图使用asm.exe检测之后，没有错误（0 errors），即sum.s编译非常顺利。
下面我们将sum.s装载到winmips.exe程序中。打开winmips程序之后，使用快捷键“ctrl + o”打开文件进行装载，点击对应的文件即可。将sum.s加载到 winmips64程序中，得到初始化页面。
不断地按下F7（逐步进行），让程序运行，得到下图，可以发现一些窗口发生了变化。在运行的过程中，左上角Cycle，PipeLine和Code窗口出现了一些彩色标注的方块区域，Registers和Data窗口没有发生什么变化，statistics窗口有一些行列数据发生了变化。
通过查阅手册和相关资料，我们了解到，Cycles、Pipeline和Code窗口主要展示程序运行过程中指令的执行过程。这些窗口标识了每条指令所处的阶段，包括“取指”、“解码”、“执行”、“访存”和“写回”，与课程内容紧密对应。
Registers和Data窗口则提供了程序运行过程中寄存器和内存的数据状态。最后，Statistics窗口记录了程序运行过程中的各项统计信息。此外，还有一个终端窗口，用于与程序进行交互，尽管在这个程序中没有使用到。
在对这些窗口有了初步了解后，我们可以逐步跟踪程序运行，观察不同时间点的状态。计算机能够像流水线一样同时处理多条指令，以“取指”、“解码”、“执行”、“访存”和“写回”并行执行，从而提高运行效率。下图展示了程序运行结束后的状态。可以看到，在某些时刻，Cycles窗口中，计算机仍在进行取指和解码操作，这导致红色方块的执行模块处于空载阶段。从Cycles窗口在程序结束后的状态图中，可以发现当ID和IF模块执行完成之后，EX模块也开始继续往下执行了。
五、作业一：终端IO简单实例
1）程序设计
使用winmips64的终端来实现程序的输入输出，以”hello world”程序为例。首先，需要知道I/O区域的内存映射，一个是控制字，一个是数据字，具体结构如下：
控制字（CONTROL）：
地址：通常在一个特定的内存地址，例如 0x10000。
功能：用于指示当前I/O操作的状态或类型。不同的值代表不同的操作，比如读取、写入或设置状态。
数据字（DATA）：
地址：通常在另一个特定的内存地址，例如 0x10008。
功能：存储要发送到终端的数据或接收从终端输入的数据。
通过这两个区域，程序可以通过设置控制字和相应的数据字实现与终端的交互。具体的映射和使用方式可能因系统和具体实现而有所不同。
程序的运行逻辑如下：
（1）定义数据区：只需定义字符串、存储数据和控制变量的地址。
（2）代码区处理：
将字符串地址（如0x10008）加载到寄存器中。
将字符串内容存储到指定的内存地址。
将变量值4存储到地址0x10000，以指示程序打印字符串。
当完成以上这些步骤后，程序会将0x10008中的数据打印到终端，输出“hello world”。
（3）代码实现
| .data string: .asciiz "hello, world!" # define string CONTROL: .word32 0x10000 # define control address DATA: .word32 0x10008 # define data address .text main: lwu r30, DATA(r0) # load 0x10008 to r30 daddi r31, r0, string # load string address to r31 sd r31, (r30) # store string address at 0x10008 lwu r30, CONTROL(r0) # load 0x10000 to r30 daddi r31, r0, 4 # load 4 to r31 sd r31, (r30) # store 4 at 0x10000,print string halt # stop program |
上面代码主要用了lwu，daddi，sd这三个指令：
（1）lwu：从内存中加载一个32位的无符号字（word）到寄存器中。
用法：lwu 寄存器, 偏移(基址寄存器)。如lwu r30, DATA(r0)表示从地址DATA（0x10008）加载一个无符号字到寄存器r30。
（2）daddi：将一个立即数与指定寄存器中的值相加，结果存储在目标寄存器中。这个指令用于处理64位数据。
用法：daddi 目标寄存器, 源寄存器, 立即数。如daddi r31, r0, string表示将string的地址加到寄存器r0（即0），结果存储在r31中。
（3）sd：将一个64位的双字（doubleword）从寄存器存储到内存的指定地址。
用法：sd 源寄存器, (目标地址寄存器)。如sd r31, (r30)表示将寄存器r31中的值存储到寄存器r30所指向的内存地址中。
2）检查合法性
用asm.exe检验一下程序的正确性，在终端中输入\asm.exe .\helloworld.s，得到如下的结果，没有错误（0 errors），即helloworld.s编译非常顺利。
3）结果运行
将helloworld.s加载到winmips64中，不断地按下F7之后进行单步运行，得到下图的结果。得到cycles顺利地进行了流水执行指令，没有raw stalls的情况发生，然后看终端，可以得到打印出了“hello，world！”。
六、作业二：编写排序算法
1）程序设计
实现对一个整数数组的冒泡排序（从小到大），并在终端中输出排序前后的数组数据。程序逻辑如下：
数据区定义：定义了输出字符串（排序前和排序后）、控制地址、数据地址、栈指针、标志变量和待排序的数组。
初始数组数据自定义为：9,0,7,2,4,3,1,6,8,5
（1）主程序：
首先加载栈指针（SP）和控制、数据地址（CONTROL和DATA）。
打印排序前的数组：设置输出格式为字符串，加载"Before sort"字符串并存储地址，然后触发打印。设置输出格式为整数，循环遍历数组，逐个将元素存储到数据地址，触发打印。
（2）冒泡排序：调用bubblesort函数对数组进行排序。
bubblesort内部：
分配栈空间并保存返回地址和一些寄存器的值。
使用两层循环进行冒泡排序：外层循环控制排序的轮数（i），内层循环控制相邻元素的比较（j）。在内层循环中，比较相邻的元素，如果前一个元素大于后一个元素，则调用swap函数进行交换。
结束时恢复寄存器和栈指针。
打印排序后的数组：同样设置输出格式为字符串，加载"After sort"字符串并存储地址，触发打印。设置输出格式为整数，循环遍历排序后的数组，逐个将元素存储到数据地址，触发打印。
结束程序：使用halt指令停止程序执行。
需要注意的是：
不能将栈指针初始化为0。因为如果将SP设置为0，进行SP - 1操作时，会指向FFFFFFFF，这超出了MIPS模拟器（winmips）的内存范围，可能导致程序崩溃或出现错误。
打印字符串和打印数字时，传递给地址0x10000的值不同，字符串使用4，而数字使用2。这一点需要特别注意，以确保程序能正确显示输出。
2）代码实现
除了lwu，daddi，sd三条指令，还使用如下指令：
- dsll ：将寄存器中的值左移指定的位数，结果存入目标寄存器。左移时低位补零，适用于乘以2的幂。
- bne ：如果两个寄存器的值不相等，则跳转到指定标签。常用于条件判断。
- jal ：跳转到指定标签并保存返回地址到$ra寄存器。常用于调用函数。
- slt ：比较两个寄存器的值，如果第一个寄存器小于第二个，则将目标寄存器设置为1，否则为0。用于条件判断。
- beq ：如果两个寄存器的值相等，则跳转到指定标签。与bne相反。
- j ：无条件跳转到指定标签。用于程序流程控制。
- jr ：根据寄存器中的地址进行跳转，通常用于返回函数。
具体实现代码如下：
| .data after: .asciiz "After sort the array is:\n" # Output after sorting before: .asciiz "Before sort the array is:\n" # Output before sorting CONTROL: .word 0x10000 # Control address DATA: .word 0x10008 # Data address SP: .word 0x300 # Stack pointer flag: .word 0 # Flag variable array: .word 9,0,7,2,4,3,1,6,8,5 # Array to sort .text main: ld r29, SP(r0) # Load stack pointer ld r16, CONTROL(r0) # Load control address ld r17, DATA(r0) # Load data address # Print before sorting daddi r8, r0, 4 # Set string output format daddi r9, r0, before # Load "Before sort" string sd r9, (r17) # Store address for printing sd r8, (r16) # Trigger print # Print array before sorting daddi r8, r0, 2 # Set integer output format daddi r2, r0, 10 # Array length daddi r1, r0, 0 # Index i print1: dsll r3, r1, 3 # Calculate array address ld r9, array(r3) # Load array[i] sd r9, (r17) # Store for printing sd r8, (r16) # Trigger print daddi r1, r1, 1 # Increment i (i++) bne r2, r1, print1 # Loop if i < 10 # Sort the array daddi r4, r0, array # Load array address daddi r5, r0, 10 # Load length jal bubblesort # Call bubble sort # Print after sorting daddi r8, r0, 4 # Set string output format daddi r9, r0, after # Load "After sort" string sd r9, (r17) # Store address for printing sd r8, (r16) # Trigger print # Print array after sorting daddi r8, r0, 2 # Set integer output format daddi r2, r0, 10 # Array length daddi r1, r0, 0 # Index i print2: dsll r3, r1, 3 # Calculate array address ld r9, array(r3) # Load array[i] sd r9, (r17) # Store for printing sd r8, (r16) # Trigger print daddi r1, r1, 1 # Increment i bne r2, r1, print2 # Loop if i < 10 halt # End program bubblesort: daddi r29, r29, -24 # Allocate stack space sd $ra, 16(r29) # Save return address sd r16, 8(r29) # Save r16 sd r17, 0(r29) # Save r17 dadd r22, r4, r0 # Load array address daddi r23, r5, 0 # Load length # Outer loop: for (int i = 0; i < n; i++) and r18, r18, r0 # i = 0 loop1: slt r10, r18, r23 # Check i < n beq r10, r0, exiti # Exit if i >= n # Inner loop: for (int j = i - 1; j >= 0; j--) daddi r19, r18, -1 # j = i - 1 loop2: slti r10, r19, 0 # Check j < 0 bne r10, r0, exitj # Exit if j < 0 # Compare and swap dsll r11, r19, 3 # Calculate a[j] dadd r12, r11, r22 # r12 = address of a[j] ld r13, 0(r12) # Load a[j] ld r14, 8(r12) # Load a[j + 1] slt r10, r14, r13 # Check if a[j + 1] > a[j] beq r10, r0, exitj # Skip swap if not dadd r4, r0, r12 # Address of a[j] daddi r5, r12, 8 # Address of a[j + 1] jal swap # Call swap # Decrement j and repeat inner loop daddi r19, r19, -1 j loop2 exitj: # Increment i and repeat outer loop daddi r18, r18, 1 j loop1 exiti: # Restore stack and return ld r17, 0(r29) # Restore r17 ld r16, 8(r29) # Restore r16 ld $ra, 16(r29) # Restore return address daddi r29, r29, 24 # Restore stack pointer jr $ra # Return to caller swap: # Swap two array elements ld r9, 0(r4) # Load a[i] ld r10, 0(r5) # Load a[j] sd r10, 0(r4) # a[i] = a[j] sd r9, 0(r5) # a[j] = a[i] jr $ra # Return to caller |
3）检查合法性
用asm.exe检验一下程序的正确性，在终端中输入\asm.exe .\sort.s，得到如下的结果，没有错误（0 errors），即sort.s编译非常顺利。
4）结果运行
将sort.s加载到winmips64中，不断地按下F7之后进行单步运行，得到下图的结果。得到cycles顺利地进行了流水执行指令，没有raw stalls的情况发生，然后看终端，可以得到先打印了初始未排序的数组数据9,0,7,2,4,3,1,6,8,5，而后打印了排序后的数组数据0,1,2,3,4,5,6,7,8,9。