1、實驗二流水線及流水線中的沖突實驗目的(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，理解各段的功能和基本操作。(3)加深對數據沖突、結構沖突的理解，理解這兩類沖突對CPU性能的影響。(4)進一步理解解決數據沖突的方法，掌握如何應用定向技術來減少數據沖突引起的停頓。實驗平臺：實驗平臺采用指令級和流水線操作級模擬器MIPSsim。實驗內容和步驟：首先要掌握MIPSsim模擬器的使用方法。(1)啟動MIPSsim。(2)根據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

2、)(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。可以先載入一個樣例程序(在本模擬器所在的文件夾下的“樣例程序”文件夾中)。然后分別以單步執行一條周期、執行多個周期、連續執行、設置斷點等的方式運行程序，觀察程序的執行情況，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行情況，步驟如下：1 )選擇MIPSsim的“文件”一>“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“

3、配置”一>“定向”(使該項前面沒有，號)來實現的。3 )用單步執行一個周期的方式(在“執行”菜單中)或按F7鍵執行該程序，觀察每一個周期中，各段流水寄存器內容的變化、指令的執行情況(“代碼”窗口)以及時鐘周期圖。4 )當執行到第13個時鐘周期時，各段分別正在處理的指令是：IF:BEQ$r1,$r0,retID:LW$r4,60($r6)EX:ADDI$r3,$r0,25MEM:ADDI$r1,$r1,-1WBADDI$r6,$r0,8畫出這時的時鐘周期圖。IutFQ£!tL4lbX/Cyd-l-5DFLI$rH.$rO.7GUTJtI.Dr)KIZJQ.$rJ.fnr.rADD

4、$rL$r口mi$S瓦3HXBmiJri.ira.-LADDI西LTfo-4,即甑專jREQtxl.Jrd.T.l（6）這時各流水寄存器中的內容為:IF/ID.IR:270532612IF/ID.NPC:52ID/EX.A:8ID/EX.B:0ID/EX.Imm60ID/EX.IR:2361655356EX/MEM.ALUo：25EX/MEM.IR:530767545MEM/WB.LMD0MEM/WB.ALUo：4MEM/WB.IR:539099135（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

5、）執行該程序，找出存在結構沖突的指令ADD,D$f2,$f0,$f1和ADD.D$f5,$f0,$f1對以及導致結構沖突的部件：存儲器。3 ）記錄由結構沖突引起的停頓時鐘周期數，計算停頓時鐘周期數占總執行周期數的百分比：71.42857%o4 ）把浮點加法器的個數改為4個。5 ）再次重復步驟D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。結構沖突對CPU生能的影響：當發生沖突時，流水線會出現停頓，從而降低了CPU的性能。解決結構沖突的方法：在流水線處理機中設置相互獨立的指令存儲器和數據存儲器（8）觀察數據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

6、ta_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）來實現的。4）用單步執行一個周期的方式（F7）執行該程序，同時查看時鐘周期圖，列出在什么時刻發生了RAW（先寫后讀）沖突。答：在第三個周期的時候發生了寫后讀沖突，即在執行ADDIU$r2,$r0,56時，剛執行到訪問存儲器的時候，LW$r1,0（$r2）就執行到讀的階段了，所以發生了先寫后讀沖突。5）記錄數據沖突引起的停頓時鐘周期數以及程序執行的總時鐘周期數，計算停頓時鐘周期數占總執行周期數的百分比。答：停頓時鐘周期數為7,執行的周期總數為15,則停頓時鐘周期數占總執行周期數的百分比為46.66667%。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）來實現的。8）用單步執行一個周期的方式（F7）執行該程序，同時查看時鐘周期圖，列出在什么時刻發生了RAW（先寫后讀）沖突，并與步驟3的結果進行比較。答：ADDIU$r2,$r0,56和LW$r1,0（$r2）,LW$r1,0（$r2）和ADD$r1,$r1,$r3,SW$r1,0（$r2）和LW$r5,0（$r1）發生了RAW中突。與步驟3的結果進行比較，停頓的周期數明顯減少，這樣可以使CPU的性能