实验二_流水线及流水线中的冲突

实验二 流水线及流水线中的冲突

学号 121304089姓名 潘阿锋 班级 12计算机2

1. 实验目的

(1) 加深对计算机流水线基本概念的理解。

(2) 理解MIPS结构如何用5段流水线来实现，理解各段的功能和基本操作。

(3) 加深对数据冲突、结构冲突的理解，理解这两类冲突对CPU性能的影响。

(4) 进一步理解解决数据冲突的方法，掌握如何应用定向技术来减少数据冲突引起的停顿。

2. 实验平台：

实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim。

3. 实验内容和步骤：

首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。

（1）启动MIPSsim。

（2）根据预备知识中关于流水线各段操作的描述，进一步理解流水线窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含义。（用鼠标双击各段，就可以看到各流水寄存器的内容）

（3）参照MIPSsim模拟器使用说明，熟悉MIPSsim模拟器的操作和使用方法。

可以先载入一个样例程序（在模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件夹中）。然后分别以单步执行一条周期、执行多个周期、连续执行、设置断点等的方式运行程序，观察程序的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容的变化，特别是流水寄存器内容的变化。

（4）选择配置菜单中的“流水方式”选项，使模拟器工作于流水方式下。

（5）观察程序在流水线中的执行情况，步骤如下：

1）选择MIPSsim的“文件”—>“载入程序”选项来加载pipeline.s （在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）。

2）关闭定向功能。这是通过“配置”—>“定向”（使该项前面没有√号）来实现的。

3）用单步执行一个周期的方式（在“执行”菜单中）或按F7键执行该程序，观察每一个周期中，各段流水寄存器内容的变化、指令的执行情况（“代码”窗口）以及时钟周期图。

4）当执行到第13个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是：

IF： ADDI $r6,$r0,8

ID： BEQ $r1,$r0,ret

EX： LW $r4,60($r6)

MEM： ADDI $r3,$r0,25

WB： ADDI $r1,$r1,-1

画出这时的时钟周期图。

内容需要下载文档才能查看

（6）这时各流水寄存器中的内容为：

IF/ID.IR： 0x00000000

IF/ID.NPC： 0x00000034

ID/EX.A： 0x0000000000000004

ID/EX.B： 0x0000000000000000

ID/EX.Imm： 0x0000000000000004

ID/EX.IR： 0x10200004

EX/MEM.ALUo： 0x0000000000000044

EX/MEM.IR： 0x8CC4003C

MEM/WB.LMD： 0x0000000000000000

MEM/WB.ALUo： 0x0000000000000019

MEM/WB.IR： 0x20030019

（7）观察和分析结构冲突对CPU性能的影响，步骤如下：

1）加载structure_hz.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）。

2）执行该程序，找出存在结构冲突的指令对以及导致结构冲突的部件。

存在结构冲突的指令对 ADDI.D $f3,$f0,$f1和ADDI.D $f4,$f0,$f1 导致结构冲突的部件 IF和ID

3）记录由结构冲突引起的停顿时钟周期数，计算停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比： 3；50% 。

4）把浮点加法器的个数改为4个。

5）再次重复步骤①~③的工作。

6）分析结构冲突对CPU性能的影响，讨论解决结构冲突的方法。

答： 阻止程序无法正常运行，将加法寄存器的个数适量改多一点。

（8）观察数据冲突并用定向技术来减少停顿，步骤如下：

1）全部复位。

2）加载data_hz.s（在模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件夹中）。

3）关闭定向功能。这是通过“配置”->“定向”（是该项前面没有√号）来实现的。

4）用单步执行一个周期的方式（F7）执行该程序，同时查看时钟周期图，列出在什么时刻发生

了RAW（先写后读）冲突。

答： 在第5个周期的时候发生RAW冲突。

5）记录数据冲突引起的停顿时钟周期数以及程序执行的总时钟周期数，计算停顿时钟周期数占

总执行周期数的百分比。

答： 16.66667%

6）复位CPU 。

7）打开定向功能。这是通过“配置”->“定向”（是该项前面有√号）来实现的。

8）用单步执行一个周期的方式（F7）执行该程序，同时查看时钟周期图，列出在什么时刻发生了RAW（先写后读）冲突，并与步骤3的结果进行比较。

答： 第4个周期就发生RAW冲突，比之前的早一个周期。

9）记录数据冲突引起的停顿时钟周期数以及程序执行的总时钟周期数。计算采用定向技术后的性能是原来的几倍。（运行时间、时钟周期数量、倍数等方面考虑）

答： 运行时间 ：定向多将近一倍 时钟周期数量 ：定向的早一个周期