大连理工大学计算机系统结构实验-实验二

1、大连理工大学 实验报告计算机系统结构实验实验二 流水线及流水线中的冲突学 院（系）： 电子信息与电气工程学部 专 业： 计算机科学与技术 学 生 姓 名： 班 级： 学 号： 大连理工大学Dalian University of Technology实验二 流水线及流水线中的冲突一、实验目的与要求（1）理解计算机流水线基本概念。（2）理解MIPS结构如何用5段流水线来实现，理解各段的功能和基本操作。（3）加深对数据冲突、结构冲突的理解，理解这两类冲突对CPU性能的影响。（4）进一步理解解决数据冲突的方法，掌握如何应用定向技术来减少数据冲突引起的停顿。二、实验内容与步骤步骤1、启动MIPSsim

2、。2、根据预备知识中关于流水线各段操作的描述，进一步理解流水线窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含义。（用鼠标双击各段，就可以看到各流水寄存器的内容）3、参照MIPSsim模拟器使用说明，熟悉MIPSsim模拟器的操作和使用方法。4、选择“文件”-“载入程序”选项，加载样例程序 alltest.asm，然后查看“代码”窗口，查看程序所在的位置（起始地址为0x）。可以先载入一个样例程序（在本模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件夹中）。然后分别以单步执行一条周期、执行多个周期、连续执行、设置断点等的方式运行程序，观察程序的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容的变化，特别是流水寄存器内容的

3、变化。4、选择配置菜单中的“流水方式”选项，使模拟器工作于流水方式下。5、观察程序在流水线中的执行情况，步骤如下：（1）选择MIPSsim的“文件”“载入程序”选项来加载pipeline.s。（2）关闭定向功能。这是通过“配置”“定向”。（3）用单步执行一个周期的方式执行该程序，观察每一个周期中，各段流水寄存器内容的变化、指令的执行情况（“代码”窗口）以及时钟周期图。（4）当执行到第13个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是：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 画出这时的时钟周期图。6、这时各流水寄存器中的内容为：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、观察和分析结构冲突对CPU性能的影响，步骤如下： （1）加载structure_hz.s（在模拟器所在文件夹下的“样例

5、程序”文件夹中）。（2）执行该程序，找出存在结构冲突的指令对以及导致结构冲突的部件。答：存在结构冲突的指令：由于都是浮点加指令，而浮点加需要6个时钟周期且只有1个浮点加法器，所以相隔5个时钟周期的两条指令都存在结构冲突。（3）记录由结构冲突引起的停顿时钟周期数，计算停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比。 答：在执行中可以记录到，在第4、10、16、22、28、34、40，这7个时钟周期共发生了7次由于结构冲突造成的流水线阻塞。每隔6个时钟周期发生一次。因为加法器只有一个，完成一次浮点加法需要6个时钟周期，所以每隔6个时钟周期造成一次5个时钟周期的STALL，共造成57=35个时钟周期的停顿。所

6、以由结构冲突引起的停顿时钟周期书为35，占比67.30769%，与模拟器一致。（4）把浮点加法器的个数改为4个。（5）再次重复步骤（1）（3）的工作。（6）分析结构冲突对CPU性能的影响，讨论解决结构冲突的方法。答：存在结构冲突的指令。由于浮点加法器有4个，执行浮点加法需要6个时钟周期，因此第5条浮点数加法指令就会因为没有可用加法器二阻塞，造成2个周期的停顿。结构停顿2，占周期百分比为10.52632%。解决方法:将加法器设为6个。由于结构冲突导致流水线停止，降低了CPU的性能。所以可以通过重设部件来解决结构冲突。8、 观察数据冲突并用定向技术来减少停顿，步骤如下：（1）全部复位（2）加载da

7、ta_hz.s（3）关闭定向功能。（4）单步执行一个周期，同时查看时钟周期图，列出在什么时刻发生了RAW（先写后读）冲突。答：第四个时钟周期进行LW $r1,0($r2)指令的译码工作，需要读取r2寄存器的值，而第一条指令ADDIU $r2,$r0,A的执行结果还未写到r2寄存器，故发生了RAW冲突。 （5）记录数据冲突引起的停顿时钟周期数及程序执行的总时钟周期数，计算停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比。答：数据冲突引起的停顿时钟周期数是31个时钟周期，总时钟周期数是65，占比47.69231%。停顿周期总数是35个时钟周期，占比为53.84615%。（6）复位CPU。（7）打开定向功能。（8）单步执行一个周期，同时查看时钟周期图，列出在什么时刻发生了RAW（先写后读）冲突，并与步骤（3）的结果进行比较。答：在第6个（圈内）时钟周期处发生了RAW冲突。 （9）记录由数据冲突引起的停顿时钟周期数以及程序执行的总时钟周