实验2-流水线及流水线中的冲突.doc

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1、计算机系统结构实验报告班级实验日期实验成绩姓名学号实验名称实验2流水线及流水线中的冲突实验目的、要求实验目的：1.加深对计算机流水线基本概念的理解。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。实验内容、步骤及结果（简要描述实验内容、记录在调试过程中出现的问题及解决方法、记录实验执行的结果）（1）启动MIPSsim。（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。（

2、用鼠标双击各段，就可以看到各流水寄存器的内容）（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。1）选择MIPSsim的“文件”—>“载入程序”选项来加载pipeline.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）。2）关闭定向功能。这是通过“配置”—>“定向”（使该项前面没有√号）来实现的。3）用单步执行一个周期的方式（在“执行”菜单中）或按F7键执行该程序，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$r3,$r0,2

3、5EX:ADDI$r1,$r1,-1MEM:ADDI$r6,$r0,8WB:ADDI$r2,$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：0x8CC4003CIF/ID.NPC：0xID/EX.A：0x00000ID/EX.B：0x00000ID/EX.Imm：0x00019ID/EX.IR：0xEX/MEM.ALUo：0x00004EX/MEM.IR：0x2021FFFFMEM/WB.LMD：0x00000MEM/WB.ALUo：0x00008MEM/WB.IR：0x（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_

4、hz.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”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。结构冲突的指令为连续的ADD结构冲突的部件为Fadd浮点加法器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。可以看到结构停顿的周期数为35，占总周期的67.30769%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。加法器个数增加后，结构停顿周期数为2，占总周期的10.52632%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。结构冲突会是CPU执行指令的效率降低，从而使其性能下降通过实验可知，增加引起结构冲突的

5、部件个数可以有效减少结构冲突（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data_hz.s（在模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件夹中）。3）关闭定向功能。这是通过“配置”->“定向”（是该项前面没有√号）来实现的。4）用单步执行一个周期的方式（F7）执行该程序，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。如下图：周期数为3，4，6，9，12，13，16，17，20，23，25，28，31，32，35，36，39，42，44，47，50，51，54，55，58，61，635）记录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期数，计算停

6、顿时钟周期数占总执行周期数的百分比。总周期数为65，RAW停顿数为31，占总周期比47.69231%6）复位CPU。7）打开定向功能。这是通过“配置”->“定向”（是该项前面有√号）来实现的。8）用单步执行一个周期的方式（F7）执行该程序，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。定向时，总周期数为43，RAW停顿数为9，占总周期的20.93023%9）记录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期数。计算采用定向技术后性能提高的倍数。性能提升：65/43=1.517总结1.通过实验，进一步加深了对流水线的理解。2.从实验中，可以明显

7、了解到增加冲突部件能减少结构冲突；利用定向功能可减少RAW冲突。3.解决流水线中的冲突问题可以有效提升CPU的性能。