實(shí)驗(yàn)四-流水線及流水線中的沖突

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實(shí)驗(yàn)4 流水線及流水線中的沖突一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（1）理解計(jì)算機(jī)流水線基本概念。（2）理解MIPS結(jié)構(gòu)如何用5段流水線來實(shí)現(xiàn)。（3）理解各段的功能和基本操作。（4）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。（5）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。二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟(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）流水線窗口如下所示：取指令（IF）、指令譯碼/讀寄存器（ID）、

2、執(zhí)行/訪存有效地址計(jì)算（EX）、存儲(chǔ)器訪問（MEM）、結(jié)果寫回寄存器（WB）流水寄存器窗口：IF：ID：EX：MEM：WB流水線段為空(3)、參照MIPSsim模擬器使用說明，熟悉MIPSsim模擬器的操作和使用方法。(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。(5)、觀察程序在流水線中的執(zhí)行情況，步驟如下： 1）選擇MIPSsim的“文件”>“載入程序”選項(xiàng)來加載pipeline.s。2）關(guān)閉定向功能。這是通過“配置”>“定向”。3）用單步執(zhí)行一個(gè)周期的方式執(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

3、。執(zhí)行周期總數(shù)為1時(shí)：執(zhí)行周期總數(shù)為2時(shí)：執(zhí)行周期總數(shù)為3時(shí)：執(zhí)行周期總數(shù)為4時(shí)：執(zhí)行周期總數(shù)為5時(shí)：執(zhí)行周期總數(shù)為6時(shí)：執(zhí)行周期總數(shù)為7時(shí)：執(zhí)行周期總數(shù)為8時(shí)：執(zhí)行周期總數(shù)為9時(shí)：執(zhí)行周期總數(shù)為10時(shí)：執(zhí)行周期總數(shù)為11時(shí)：執(zhí)行周期總數(shù)為12時(shí)：執(zhí)行周期總數(shù)為13時(shí)： 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 $r4,60（$r6） ID： ADDI $r3，$r0,25 EX： ADDI $r1,$r1,-1 MEM： ADDI $r6,$r0,8 WB： ADD $r2,$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

4、.IR： IF/ID.NPC： 48 ID/EX.A： 0 ID/EX.B： 0 ID/EX.IR： ID/EX.Imm： 25 EX/MEM.ALUo： 4 EX/MEM.IR： MEM/WB.LMD： 0 MEM/WB.ALUo： 8 MEM/WB.IR： (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.s2） 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。答：結(jié)構(gòu)沖突的指令：ADD.D$f2,$f0,$f1和ADD.D$f3,$f0,$f1結(jié)構(gòu)沖突部件：加法寄存器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

5、期數(shù)的百分比。答：結(jié)構(gòu)沖突引起的停頓時(shí)鐘周期數(shù):9停頓時(shí)鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比:69.23077%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1）-步驟3）的工作。 1）加載structure_hz.s。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。答：結(jié)構(gòu)沖突的指令：ADD.D$f4,$f0,$f1和ADD.D$f5,$f0,$f1,結(jié)構(gòu)沖突部件：加法寄存器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。答：結(jié)構(gòu)沖突引起的停頓時(shí)鐘周期數(shù):1停頓時(shí)鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比:14.28571%6）分析結(jié)構(gòu)沖突對(duì)CPU性

6、能的影響，討論解決結(jié)構(gòu)沖突的方法。答：對(duì)CPU性能的影響:當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)，流水線會(huì)發(fā)生停頓，從而降低了CPU的性能。解決方法：在流水線處理機(jī)中設(shè)置相互獨(dú)立的指令存儲(chǔ)器和儲(chǔ)存器 (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。（所有的都回到最初狀態(tài)）2）加載data_hz.s。3） 關(guān)閉定向功能4） 單步執(zhí)行一個(gè)周期，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。4、5、6、8、9、10、12、13、16、17、19、20、24、25、26、27、28、31、32、35、36、38、39周期發(fā)生了RAW沖突5） 記錄數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時(shí)鐘周期數(shù)及程序執(zhí)行的總

7、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。數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時(shí)鐘周期數(shù)：23程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)：43停頓時(shí)鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比:53.48837%6） 復(fù)位CPU7） 打開定向功能。8）單步執(zhí)行一個(gè)周期，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。答：第4、6、8、9、10、12、13、18、20、22、24、25、30、32、34、36、37周期發(fā)生了RAW沖突 9）記錄由數(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)后的性能是原來的幾倍。答：數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時(shí)鐘周期數(shù)：13程序執(zhí)行的總時(shí)鐘周期數(shù)：43停頓時(shí)鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比:30.23256%采用定向技術(shù)后的性能是原來的1.77倍三.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析當(dāng)發(fā)生結(jié)構(gòu)沖突時(shí)，流水線會(huì)出現(xiàn)停頓，從而降低了CPU的性能。要避免結(jié)構(gòu)沖突就要在流水線處理機(jī)中設(shè)置相互獨(dú)立的指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突時(shí)，程序執(zhí)行并定向時(shí)的總停頓周期比沒有定向功能的時(shí)候少，說明要降低數(shù)據(jù)沖突的方法是對(duì)CPU