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1、实验二 流水线及流水线中的冲突实验目的（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。实验平台：实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim。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
2、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（在本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”一 “载入程序”选项来加载 pipeline.s的“样例程序”文件夹中）。2）关闭定向功能。这是
3、通过“配置”一“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：IFID：_ BEQ$r1，$r0,ret_：_ LW$r4,60($r6)_（在模拟器所在文件夹下EX：_MEM：_ ADDI$r3，$r0,25_ ADDI$r1,$r1,-1_WB:_ ADDI$r6,$r0,8_画出这时的时钟周期图。IutFQIutFQ!tL4ibX/Cyd-l-!tL4ibX/Cyd-l-ff
4、lffl iirssi.iirssi.-LWttWJWBlLWttWJWBl町 丈萍 典厅nw）代码型Kfl i：c）旨口四匚匡区|0WUhffl）mill$rH.$rO.7Gmill$rH.$rO.7GIT JrLjttrSIT JrLjttrSEGEUlZ$rJ.fnr.r ADD JEGEUlZ$rJ.fnr.r ADD JT TE.E.UIDIUIDIAUDI Jrl.irl.-LAUDI Jrl.irl.-LADDIADDI,ff x西LT fo-4.EULT fo-4.EU住rEOrEOBEQ txl.trfl.T.LBEQ txl.trfl.T.L（6）这时各流水寄存器中的内容为
5、:IF/ID.IR:_27053261 _IF/ID.NPC:_52_ID/EX.A:ID/EX.B:_ 8_ _ 0_ID/EX.Imm:_ 60_ID/EX.IR:_2361655356 _EX/MEM.ALUo:_25_EX/MEM.IR:_530767545 _MEM/WB.LMD _0_MEM/WB.ALUo：_4_MEM/WB.IR：_539099135_（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹（7）观察和分析结构冲突对 CPU 性能的影响，步骤如下:2）执行该程序，找出存在结构冲突的指令导致结构冲突的部件：存储器。1）加载 structure_hz.sADD,D$f2,$f0,
6、$f1ADD,D$f2,$f0,$f1 和 ADD.D$f5,$f0,$f1ADD.D$f5,$f0,$f1对以及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：71.42857%71.42857%。4）把浮点加法器的个数改为 4 个。5）再次重复步骤的工作。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。结构冲突对 CPU 性能的影响:当发生冲突时，流水线会出现停顿，从而降低了解决结构冲突的方法：在流水线处理机中设置相互独立的指令存储器和数据存储器（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（
7、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”CPU 的性能。-“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：在第三个周期的时候发生了写后读冲突，即在执行ADDIU$r2,$r0,56 时，刚执行到访问存储器的时候，LW$r1,0（$r2）就执行到读的阶段了，所以发生了先写后读冲突。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：停顿时钟周期数为46.66667%。7,执行的周期总数为15,则
8、停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比为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：ADDIU$r2,$r0,56 和 LW$r1,0（$r2）,LW$r1,0（$r2）和 ADD$r1,$r1,$r3,SW$r1,0（$r2）和 LW$r5,0（$r1）发生了 RAW 中突。与步骤 3 的结果进行比较，停顿的周期数明显减少，这样可以 使 CPU的性能大大提升。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。答：数据冲突引起的停顿时钟周期数为是原来的 2.3 倍3，程序执行的总时钟周期数为15。采用定向技术后的性能