實驗2-流水線及流水線中的沖突

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上計算機系統(tǒng)結構實驗報告班級實驗日期實驗成績姓名學號實驗名稱實驗2 流水線及流水線中的沖突實驗目的、要求實驗目的：1.加深對計算機流水線基本概念的理解。2.理解MIPS結構如何用5段流水線來實現(xiàn)，理解各段的功能和基本操作。3.加深對數(shù)據(jù)沖突、結構沖突的理解，理解這兩類沖突對CPU性能的影響。 4.進一步理解解決數(shù)據(jù)沖突的方法，掌握如何 應用定向技術來減少數(shù)據(jù)沖突引起的停頓。實驗內(nèi)容、步驟及結果（簡要描述實驗內(nèi)容、記錄在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及解決方法、記錄實驗執(zhí)行的結果）（1）啟動MIPSsim。 （2）根據(jù)預備知識中關于流水線各段操作的描述，進一步理解流水線窗口中各段的

2、功能，掌握各流水寄存器的含義。（用鼠標雙擊各段，就可以看到各流水寄存器的內(nèi)容） （4）選擇配置菜單中的“流水方式”選項，使模擬器工作于流水方式下。 1）選擇MIPSsim的“文件”>“載入程序”選項來加載pipeline.s （在模擬器所在文件夾下的“樣例程序”文件夾中）。2）關閉定向功能。這是通過“配置”>“定向”（使該項前面沒有號）來實現(xiàn)的。 3）用單步執(zhí)行一個周期的方式（在“執(zhí)行”菜單中）或按F7鍵執(zhí)行該程序，觀察每一個周期中，各段流水寄存器內(nèi)容的變化、指令的執(zhí)行情況（“代碼”窗口）以及時鐘周期圖。4）當執(zhí)行到第13個時鐘周期時，各段分別正在處理的指令是：IF: LW $r4

3、,60($r6) ID: ADDI $r3,$r0,25 EX: ADDI $r1,$r1,-1 MEM: ADDI $r6,$r0,8 WB: ADDI $r2,$r1,$r0 畫出這時的時鐘周期圖。（6）這時各流水寄存器中的內(nèi)容為： IF/ID.IR： 0x8CC4003C IF/ID.NPC： 0x ID/EX.A： 0x00000 ID/EX.B： 0x00000 ID/EX.Imm： 0x00019 ID/EX.IR： 0x EX/MEM.ALUo： 0x00004 EX/MEM.IR： 0x2021FFFF MEM/WB.LMD： 0x00000 MEM/WB.ALUo： 0x00

4、008 MEM/WB.IR： 0x （7）觀察和分析結構沖突對CPU性能的影響，步驟如下： 1）加載structure_hz.s（在模擬器所在文件夾下的“樣例程序”文件夾中）。 2）執(zhí)行該程序，找出存在結構沖突的指令對以及導致結構沖突的部件。結構沖突的指令為連續(xù)的ADD 結構沖突的部件為Fadd浮點加法器 3）記錄由結構沖突引起的停頓時鐘周期數(shù)，計算停頓時鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。可以看到結構停頓的周期數(shù)為35，占總周期的67.30769%4）把浮點加法器的個數(shù)改為4個。 5）再次重復步驟的工作。 加法器個數(shù)增加后，結構停頓周期數(shù)為2，占總周期的10.52632%6）分析結構沖突對CPU

5、性能的影響，討論解決結構沖突的方法。結構沖突會是CPU執(zhí)行指令的效率降低，從而使其性能下降通過實驗可知，增加引起結構沖突的部件個數(shù)可以有效減少結構沖突（8）觀察數(shù)據(jù)沖突并用定向技術來減少停頓，步驟如下： 1）全部復位。 2）加載data_hz.s（在模擬器所在的文件夾下的“樣例程序”文件夾中）。 3）關閉定向功能。這是通過“配置”->“定向”（是該項前面沒有號）來實現(xiàn)的。4）用單步執(zhí)行一個周期的方式（F7）執(zhí)行該程序，同時查看時鐘周期圖，列出在什么時刻發(fā)生了RAW（先寫后讀）沖突。如下圖：周期數(shù)為3，4，6，9，12，13，16，17，20，23，25，28，31，32，35，36，39

6、，42，44，47，50，51，54，55，58，61，635）記錄數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)，計算停頓時鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比?？傊芷跀?shù)為65，RAW停頓數(shù)為31，占總周期比47.69231%6）復位CPU 。 7）打開定向功能。這是通過“配置”->“定向”（是該項前面有號）來實現(xiàn)的。 8）用單步執(zhí)行一個周期的方式（F7）執(zhí)行該程序，同時查看時鐘周期圖，列出在什么時刻發(fā)生了RAW（先寫后讀）沖突，并與步驟3的結果進行比較。定向時，總周期數(shù)為43，RAW停頓數(shù)為9，占總周期的20.93023%9）記錄數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)。計算采用定向技術后性能提高的倍數(shù)。性能提升：65/43=1.517總結1. 通過