大連理工大學計算機系統(tǒng)結構實驗-實驗二

1、大連理工大學 實驗報告計算機系統(tǒng)結構實驗實驗二 流水線及流水線中的沖突學 院（系）： 電子信息與電氣工程學部 專 業(yè)： 計算機科學與技術 學 生 姓 名： 班 級： 學 號： 大連理工大學Dalian University of Technology實驗二 流水線及流水線中的沖突一、實驗目的與要求（1）理解計算機流水線基本概念。（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。二、實驗內容與步驟步驟1、啟動MIPSsim

2、。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容）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“文件”-“載入程序”選項，加載樣例程序 alltest.asm，然后查看“代碼”窗口，查看程序所在的位置（起始地址為0x）?？梢韵容d入一個樣例程序（在本模擬器所在的文件夾下的“樣例程序”文件夾中）。然后分別以單步執(zhí)行一條周期、執(zhí)行多個周期、連續(xù)執(zhí)行、設置斷點等的方式運行程序，觀察程序的執(zhí)行情況，觀察CPU中寄存器和存儲器的內容的變化，特別是流水寄存器內容的

3、變化。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。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”選項來加載pipeline.s。（2）關閉定向功能。這是通過“配置”“定向”。（3）用單步執(zhí)行一個周期的方式執(zhí)行該程序，觀察每一個周期中，各段流水寄存器內容的變化、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 $r4, 60($r6) ID： ADDI $r3, $r0, 25 EX： ADDI $r1, $r1, -1 MEM： ADDI $r6, $r0, 8

4、 WB： ADD $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容為：IF/ID.IR：_ CC4003C_IF/ID.NPC：_00030_ID/EX.A：_00000_ID/EX.B：_00000_ID/EX.Imm：_00019_ID/EX.IR：_30019_EX/MEM.ALUo：_00004_EX/MEM.IR：_1FFFF_MEM/WB.LMD：_00000_MEM/WB.ALUo：_00008_MEM/WB.IR：_60008_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

5、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。答：存在結構沖突的指令：由于都是浮點加指令，而浮點加需要6個時鐘周期且只有1個浮點加法器，所以相隔5個時鐘周期的兩條指令都存在結構沖突。（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。 答：在執(zhí)行中可以記錄到，在第4、10、16、22、28、34、40，這7個時鐘周期共發(fā)生了7次由于結構沖突造成的流水線阻塞。每隔6個時鐘周期發(fā)生一次。因為加法器只有一個，完成一次浮點加法需要6個時鐘周期，所以每隔6個時鐘周期造成一次5個時鐘周期的STALL，共造成57=35個時鐘周期的停頓。所

6、以由結構沖突引起的停頓時鐘周期書為35，占比67.30769%，與模擬器一致。（4）把浮點加法器的個數(shù)改為4個。（5）再次重復步驟（1）（3）的工作。（6）分析結構沖突對CPU性能的影響，討論解決結構沖突的方法。答：存在結構沖突的指令。由于浮點加法器有4個，執(zhí)行浮點加法需要6個時鐘周期，因此第5條浮點數(shù)加法指令就會因為沒有可用加法器二阻塞，造成2個周期的停頓。結構停頓2，占周期百分比為10.52632%。解決方法:將加法器設為6個。由于結構沖突導致流水線停止，降低了CPU的性能。所以可以通過重設部件來解決結構沖突。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da

7、ta_hz.s（3）關閉定向功能。（4）單步執(zhí)行一個周期，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。答：第四個時鐘周期進行LW $r1,0($r2)指令的譯碼工作，需要讀取r2寄存器的值，而第一條指令ADDIU $r2,$r0,A的執(zhí)行結果還未寫到r2寄存器，故發(fā)生了RAW沖突。 （5）記錄數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時鐘周期數(shù)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。答：數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時鐘周期數(shù)是31個時鐘周期，總時鐘周期數(shù)是65，占比47.69231%。停頓周期總數(shù)是35個時鐘周期，占比為53.84615%。（6）復位CPU。（7）打開定向功能。（8）單步執(zhí)行一個周期，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。答：在第6個（圈內）時鐘周期處發(fā)生了RAW沖突。 （9）記錄由數(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