實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí)實(shí)驗(yàn)日期實(shí)驗(yàn)成績(jī)姓名學(xué)號(hào)實(shí)驗(yàn)名稱實(shí)驗(yàn)2 流水線及流水線中的沖突實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求?shí)驗(yàn)?zāi)康模?.加深對(duì)計(jì)算機(jī)流水線基本概念的理解。2.理解MIPS結(jié)構(gòu)如何用5段流水線來實(shí)現(xiàn)，理解各段的功能和基本操作。3.加深對(duì)數(shù)據(jù)沖突、結(jié)構(gòu)沖突的理解，理解這兩類沖突對(duì)CPU性能的影響。 4.進(jìn)一步理解解決數(shù)據(jù)沖突的方法，掌握如何 應(yīng)用定向技術(shù)來減少數(shù)據(jù)沖突引起的停頓。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟及結(jié)果（簡(jiǎn)要描述實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)執(zhí)行的結(jié)果）（1）啟動(dòng)MIPSsim。 （2）根據(jù)預(yù)備知識(shí)中關(guān)于流水線各段操作的描述，進(jìn)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(biāo)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(xiàng)，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(xiàng)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(guān)閉定向功能。這是通過“配置”>“定向”（使該項(xiàng)前面沒有號(hào)）來實(shí)現(xiàn)的。 3）用單步執(zhí)行一個(gè)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(gè)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(shí)鐘周期圖。4）當(dāng)執(zhí)行到第13個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，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(shí)的時(shí)鐘周期圖。（6）這時(shí)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(jié)構(gòu)沖突對(duì)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(jié)構(gòu)沖突的指令對(duì)以及導(dǎo)致結(jié)構(gòu)沖突的部件。結(jié)構(gòu)沖突的指令為連續(xù)的ADD 結(jié)構(gòu)沖突的部件為Fadd浮點(diǎn)加法器 3）記錄由結(jié)構(gòu)沖突引起的停頓時(shí)鐘周期數(shù)，計(jì)算停頓時(shí)鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比?？梢钥吹浇Y(jié)構(gòu)停頓的周期數(shù)為35，占總周期的67.30769%4）把浮點(diǎn)加法器的個(gè)數(shù)改為4個(gè)。 5）再次重復(fù)步驟的工作。 加法器個(gè)數(shù)增加后，結(jié)構(gòu)停頓周期數(shù)為2，占總周期的10.52632%6）分析結(jié)構(gòu)沖突對(duì)CPU

5、性能的影響，討論解決結(jié)構(gòu)沖突的方法。結(jié)構(gòu)沖突會(huì)是CPU執(zhí)行指令的效率降低，從而使其性能下降通過實(shí)驗(yàn)可知，增加引起結(jié)構(gòu)沖突的部件個(gè)數(shù)可以有效減少結(jié)構(gòu)沖突（8）觀察數(shù)據(jù)沖突并用定向技術(shù)來減少停頓，步驟如下： 1）全部復(fù)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(guān)閉定向功能。這是通過“配置”->“定向”（是該項(xiàng)前面沒有號(hào)）來實(shí)現(xiàn)的。4）用單步執(zhí)行一個(gè)周期的方式（F7）執(zhí)行該程序，同時(shí)查看時(shí)鐘周期圖，列出在什么時(shí)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(shí)鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)，計(jì)算停頓時(shí)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(fù)位CPU 。 7）打開定向功能。這是通過“配置”->“定向”（是該項(xiàng)前面有號(hào)）來實(shí)現(xiàn)的。 8）用單步執(zhí)行一個(gè)周期的方式（F7）執(zhí)行該程序，同時(shí)查看時(shí)鐘周期圖，列出在什么時(shí)刻發(fā)生了RAW（先寫后讀）沖突，并與步驟3的結(jié)果進(jìn)行比較。定向時(shí)，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(shí)鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)。計(jì)算采用定向技術(shù)后性能提高的倍數(shù)。性能提升：65/43=1.517總結(jié)1. 通過