multu r1,r1,r4
add
r1,r1,r3
图 1 数据相关
（2）控制相关：以图 2 中出现的控制相关为例
下面两条指令中，因为第一条指令出现跳转指令时，存储指令的取指将
作废，所以出现控制相关
jal
InputUnsigned
sw
PrintfValue(r3),r1
6
图结构相关为例 下面两条指令中，因为当第二条乘法指令需要使用乘法器时，第一条乘
;.global 标识 main 可以被全局访问
main:
;将 Prompt 字符串首地址放入 r1 寄存器中
addi r1,r0,Prompt
;跳转向 InputUnsigned 标识的地址，调用 input 子函数读取
数组大小的值
jal
InputUnsigned
8
;将 input 函数读取的数放入寄存器中
3
5、了解影响流水线效率的因素 6、了解各类相关及解决方法
四、实验内容： 使用 WinDLX 模拟器，对 Variance.s 做如下分析：
（1） 分析 Variance.s 和 Input.s 输入顺序不同时产生的影响。 （2） 分析 Variance.s 中汇编语言含义，同时分析程序执行流程。 （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。 （4） 考察增加运算部件对性能的影响。 （5） 考察增加 forward 部件对性能的影响。 （6） 观察转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销。 注意：除（4）以外，加、乘、除部件都只有一个,本问题中所有部件延迟设置为： 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）： IBM PC 兼容机 Windows 3.0 以上的操作系统
计算机科学与技术学院
《计算机体系结构》课程实验
学 号： 班 级： 专 业： 学生姓名：
年月 日
1
实验报告
学生姓名：
学 号：
时间： 地点：
实验课程名称：计算机体系结构
一、实验名称：流水线中的相关－求 n 个数的方差
二、实验原理：
1、WinDLX WinDLX 模拟器是一个图形化、交互式的 DLX 流水线模拟器，能够演示
一条指令所使用，从而产生数据相关； (3)控制相关：当程序执行到某个分支语句时，顺序执行的下一条语句将被
跳过而去执行分支语句中满足条件的那条指令，从而产生控制相关。
三、实验目的： 1、通过该模拟实验，进一步掌握和巩固流水线的基本知识； 2、初步掌握在特定体系结构下的汇编代码的编写和优化； 3、培养运用所学知识解决实际问题的能力 4、对流水线性能分析
法指令仍在使用乘法器，所以出现结构相关
mult
r2,r0,r0
mult
r3,r0,r0
图 3 结构相关
3、主程序 Variance.s 的代码
.data
;.data 标识下面的数据放在数据区中
;输入语句，指示你输入要求多少个数的方差
Prompt: .asciiz "Please input An integer which is array's size value>0: "
; .word 在存储器中顺序存放列出的字
PrintfPar:
.word PrintfFormat
;在存储区中空出相应大小的区域
Printf:
.space
8
Variance:
.space
8
PrintfValue: .space 1024
.text
;.text 标识下面的代码存放在代码区中
.global main
2、流水线执行过程： 指令执行的5个阶段
(1)取指令周期 (2)指令译码/读寄存器周期 (3)执行/有效地址计算周期 (4)存储器访问/分支完成周期 (5)写回周期
2
3、流水线中的相关： (1)结构相关：当某一条机器指令需要访问物理器件时，如加法器，此时加法
器正被另一条机器指令使用，从而产生结构相关； (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
2、程序中出现的三种相关 （1）数据相关：以图 1 中出现的两个数据相关为例
下面两条指令中，因为第二条指令要读 r3，而执行到此操作时加载指令
5
仍对 r3 进行操作，因此出现了数据相关
lbu
r3,0(r2)
seqi r5,r3,10
下面两条指令中，因为加法指令要读 r1，而执行到此操作时乘法指令仍 对 r 进行操作，因此出现了数据相关
点击 Variance.s 点击 select 按钮 点击 Input.s 点击 select 按钮 点击 load 按钮 3、按 F7 键程序顺序执行观察 6 个子窗口的情况。 七、实验数据及结果分析： 1、先装入 Variance.s 再转入 Input.s 时，因为程序顺序执行，地址顺序符合程 序执行顺序，程序能够正确执行；顺序相反时，因为 Input.s 的地址高，而程序顺序 执行到 Input.s 时将没有正确的输入窗口，程序执行到输出结果时，也不会出现结 果
DLX 流水线是如何工作的。该模拟器可以装载 DLX 汇编语言程序（后缀为“.s”的
文件），然后单步、设断点或是连续执行该程序。CPU 的寄存器、流水线、I/O 和存
储器都可以用图形表示出来，以形象生动的方式描述 DLX 流水线的工作过程。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。
4
六、实验步骤及操作： 1、双击 WinDLX 图标运行 WinDLX。装入测试程序之前，先初始化 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。然 后点击窗口中的“确认”按钮即可。 2、选择 File / Load Code or Data，按如下步骤操作，可将 Variance.s 和这两个 程序装入主存：
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;输入语句，指示你输入要求方差的数
PromptLast: .asciiz "Please input the integer :"
;输出格式，表示求出的方差按什么格式输出
PrintfFormat: .asciiz "the Variance is : %g "
;表示下面采用字对齐
.align 2