14281195宋光磊_MIPS流水线实验报告

实验三.MIPS流水线实验MIPS流水线中的运行过程实验代码 .datanumber: .word32 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 .textmain: daddi r2, r0, number daddi r3, r2, 24loop: lw r1, 0(r2) daddi r1, r1, 1 sw r1, 0(r2) daddi r2, r2, 4 dsub r4, r3, r2 bnez r4, loop daddi r5, r0, 0 daddi r6, r0, 0 halt二可能存在的数据冒险分析 存在冒险的语句组1daddi r2, r0, numberdaddi r3, r2, 24这两个语句存在数据相关性为r2，第一个句子的r2为目的寄存器，第二个的r2为源寄存器。因为整数流水线的性质，会出现RAW数据冒险。单步试验测试如下： 存在冒险的语句组2lw r1, 0(r2)daddi r1, r1, 1其中load指令中的r1为目的寄存器，ADDI中的r1为源寄存器。两者存在数据相关性。因为Load指令的数据r1在WB之后才能被下个指令中的ID阶段读取，所以会出现类两个周期的stall。模拟测试如下： 存在冒险的语句组3daddi r1, r1, 1sw r1, 0(r2)其中ADDI指令中的r1和sw中的r1存在数据相关。同样只用ADDI在经过WB后把r1中的数据存到r1寄存器，sw才能在id阶段获取数据。因为整数的周期性质，所以后者会在ID阶段等待两个stall模拟测试结果如下： 存在冒险的语句组4daddi r2, r2, 4 dsub r4, r3, r2在组中ADDI中的r2为目的寄存器，SUB中的r2为源寄存器，因为整数流水线的性质，只有前者在WB时写入r2寄存器，SUB的ID阶段才能获取r2的值。因此SUB中的id阶段也会有2个stall。模拟验证如下 存在冒险的语句组5dsub r4, r3, r2bnez r4, loop同理，在该组中r4为两个指令的相关数据，因此在nez中的ID阶段也会出现2个stall的数据冒险。三.考察前送(forwarding)技术对流水线性能的影响针对上面的数据冒险情况，有forwarding会对部分数据冒险进行消除。下面对具体上面的五组数据冒险进行逐一分析。 组1的数据冒险被消除daddi r2, r0, numberdaddi r3, r2, 24因为使用forwarding 技术，使得前者在EX阶段产生的数据直接送到下个指令的EX阶段，因此在该阶段，第二个ADDI指令不用再等到WB阶段在运行。不会存在stall。模拟验证如下： 组2的数据冒险未被消除lw r1, 0(r2)daddi r1, r1, 1load指令中的r1和ADDI中的r1存在数据相关，即使存在forwarding技术，因为Load产生可用数据在MEM阶段，而第二个指令ADDI指令的EXE阶段在第一个指令的MEN之前，所以后者必须等一个周期，因此会产生一个stall。 组3 的数据冒险消除daddi r1, r1, 1sw r1, 0(r2)原因分析和组1的相同，这里不再赘述。模拟验证如下： 组4数据冒险被消除daddi r2, r2, 4 dsub r4, r3, r2原因分析和组1组3相同。模拟验证如下： 组5的数据冒险未被消除dsub r4, r3, r2bnez r4, loop模拟验证如下：四通过调度减少冒险修改代码顺序，在Forwarding情况下消除数据冒险,修改后的代码如下。 .datanumber: .word32 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 .textmain: daddi r2, r0, number daddi r3, r2, 24loop: lw r1, 0(r2) daddi r2, r2, 4 daddi r1, r1, 1 dsub r4, r3, r2 sw r1, -4(r2) bnez r4, loop daddi r5, r0, 0 daddi r6, r0, 0 halt单步运行过程如下：由上图的运行结果可以看出有上面5组情况引起的数据冒险RAW均被消除。五总结为修改代码之前，不使用forwaring技术的运行统计信息如下：设运行的总周期数为N1平均每条指令的运行周期CPI1由图可以看出CPI1=2.439N1=100添加forwarding技术后，运行结果统计如下设运行的总周期数为N2平均每条指令的运行周期CPI2由图可以看出CPI2=1.512N2=62修改代码后，消除必要的数据冒险，运行统计如下设运行的总周期数为N3平均每条指令的运行周期CPI3由图可以看出CPI3=1.220N3=50综上所述：运行总周期数：N3N2N1CPI: CPI3CPI2CPI1结论：1. 通