前言

2023-5-12 20:22:09

以下内容源自《【计算机系统结构】》
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无

实验1 流水线及流水线中的冲突

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）加深对数据冲突和资源冲突的理解，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

指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim。

3 实验内容和步骤

（1）启动MIPSsim。

（2）根据教材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。（鼠标双击各段，即可看到各流水寄存器的内容）
（3）载入一个样例程序（在本模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中），然后分别以单步执行一个周期、执行多个周期、连续执行、设置断点等方式运行程序，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）观察程序在流水方式下的执行情况，步骤如下：
1)选择“文件”→“载入程序”，加载pipeline.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）。

2)选择“配置”→“定向”（使该项前没有“√”），关闭“定向功能”。

3)选择单步执行方式（在“执行”菜单中）或按F7来执行该程序，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个周期时，各段分别正在处理的指令是：
IF： BEQ $ r1,$ r0,ret
ID： LW $ r4,60($ r6)
EX： ADDI $ r3,r0,25
MEM： ADDI $ r1,$ r1,-1
WB： ADDI $ r6,$ r0,8
画出此时的时钟周期图。

（6）此时各流水寄存器的内容为：
IF/ID.IR： 0
IF/ID.NPC： 52
ID/EX.A： 4
ID/EX.B： 0
ID/EX.Imm： 4
ID/EX.IR： 270532612
EX/MEM.ALUo： 68
EX/MEM.IR： 2361655356
MEM/WB.LMD： 0
MEM/WB. ALUo： 25
MEM/WB.IR： 53767545

（7）观察和分析结构冲突对CPU的影响：
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。

首先，结构冲突是指因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而引发的冲突。

多个浮点数加法导致

3)记录由结构冲突引起的停顿周期数，计算停顿周期数占总执行周期数的百分比。

35÷52

4)把浮点加法器的个数改为4个。

5)再重复1-3的步骤。

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。
设置停顿
设置相互独立的资源

以下是4个浮点加法寄存器执行8个浮点加法指令
可以看出fadd并行执行

（8）观察数据冲突并用定向技术来减少停顿：
1)全部复位。

2)加载data_hz.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）。
3)关闭定向功能（在“配置”菜单下选择取消“定向”）。
4)用单步执行一个周期的方式执行该程序，观察时钟周期图，列出什么时刻发生了RAW冲突。

3 5 6 7 9 11 12 13 17 19 21 23 24 29 30 36 39 44 47 51 55 58 63

5)记录数据冲突引起的停顿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。

6)复位CPU。

7)打开定向功能。

8)用单步执行一个周期的方式执行该程序，查看时钟周期图，列出什么时刻发生了RAW冲突，并与步骤3）的结果比较。

对比：3 5 6 7 9 11 12 13 17 19 21 23 24 29 30 36 39 44 47 51 55 58 63

5 9 17 21 29 33 41

采用定向技术，减少停顿

9)记录数据冲突引起的停顿周期数以及程序执行的总周期数。计算采用定向以后性能比原来提高多少。

比原来提高 (65-43)/65=0.34

4 实验结论

MIPS五段流水线
数据冲突
定向技术：在指令执产生计算结果之前，其余指令并不真正立即需要该计算结果，如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要他的地方，就可以避免停顿。
真正产生到真正用的地方

资源冲突
重复设置多个资源，指令并行

5 实验心得

（1）加深了对计算机流水线基本概念的理解。
（2）理解了MIPS结构如何用5段流水线来实现，理解了各段的功能和基本操作。
（3）加深了对数据冲突和资源冲突的理解，理解了这两类冲突对CPU性能的影响。
（4）进一步理解了解决数据冲突的方法，掌握了如何应用定向技术来减少数据冲突引起的停顿。

6 实验思考：
下面是一段MIPS指令序列：
I1 add $t1, $s1, $s0
I2 sub $t2, $s0, $s3
I3 add $t1, $t1, $t2
假定在本实验所用的五段流水线处理器中执行上述指令序列，请思考：
（1）以上指令序列，哪些指令发生了数据相关？
I1与I3
I2与I3

（2）不采用“旁路”技术，需要在何处、加上几条nop指令才能使这段指令序列的执行避免数据冲突？

（3）如果采用“旁路”技术，是否可以完全解决数据冲突？不行的话，需要在何处、加上几条nop指令才能使这段指令序列的执行避免数据冲突？

（4）将自己的分析结果在仿真器上验证，充分理解“旁路”技术解决流水线数据冲突的思想。

1.编写程序

2.未采用定向技术

3.采用定向技术

最后

2023-5-12 20:32:25

你对我百般注视，
并不能构成万分之一的我，
却是一览无余的你。

祝大家逢考必过
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