西安邮电大学计算机系统结构实验2-流水线及流水线中的冲突

西 安 邮 电 大 学

（计算机学院）

课内实验报告

实验名称： 流水线及流水线中的冲突

专业名称： 计算机科学与技术 班 级： 学生姓名：

学号（8位）： 指导教师：

实验日期： 2017年12月1日

实验2 流水线及流水线中的冲突

2.1 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）加深对数据冲突和资源冲突的理解，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。

2.2 实验平台

指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim。

2.3 实验内容和步骤

（1）启动MIPSsim。

（2）根据教材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。（鼠标双击各段，即可看到各流水寄存器的内容）

（3）载入一个样例程序（在本模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中），然后分别以单步执行一个周期、执行多个周期、连续执行、设置断点等方式运行程序，观察程序的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器内容的变化，特别是流水寄存器内容的变化。 （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）观察程序在流水方式下的执行情况，步骤如下：

1) 选择“文件”→“载入程序”，加载pipeline.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程

序”文件夹中）。

2) 选择“配置”→“定向”（使该项前没有“√”），关闭“定向功能”。

3) 选择单步执行方式（在“执行”菜单中）或按F7来执行该程序，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 WB： ADD $r2,$r1,$r0 画出此时的时钟周期图。

（6）此时各流水寄存器的内容为：

IF/ID.IR： 2361655356 IF/ID.NPC： 48 ID/EX.A： 0 ID/EX.B： 0 ID/EX.Imm： 25 ID/EX.IR： 537067545 EX/MEM.ALUo： 4 EX/MEM.IR： 0 MEM/WB.LMD： 539099135 MEM/WB. ALUo： 8 MEM/WB.IR： 537264136

（7）观察和分析结构冲突对CPU的影响：

1) 加载structure_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。

fADD指令,部件是浮点加法器

3) 记录由结构冲突引起的停顿周期数，计算停顿周期数占总执行周期数的百分比。

停顿周期总数35,总52占周期总数百分比67.30769% 4) 把浮点加法器的个数改为4个。 5) 再重复1-3的步骤。

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。

增加冲突部件的数量

（8）观察数据冲突并用定向技术来减少停顿：

1) 全部复位。

2) 加载data_hz.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）。 3) 关闭定向功能（在“配置”菜单下选择取消“定向”）。

4) 用单步执行一个周期的方式执行该程序，观察时钟周期图，列出什么时刻发生了

RAW冲突。

4,6,7,9,10,13,14,17,18,20,21,25,26,28,29,32,33,36,37,39,40,44,45,47,48,51,52,55,56,58,59发生

5) 记录数据冲突引起的停顿周期数以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。

停顿周期数31 总时钟周期数65,占47.69231% 6) 复位CPU。 7) 打开定向功能。

8) 用单步执行一个周期的方式执行该程序，查看时钟周期图，列出什么时刻发生了

RAW冲突，并与步骤3）的结果比较。 5,9,13,17,21,25,29,33,37发生

比较发现通过定向技术降低了RAW冲突的数目.

9) 记录数据冲突引起的停顿周期数以及程序执行的总周期数。计算采用定向以后性能

比原来提高多少。 停顿周期数9,总周期数43 65/43=1.51提高1.51倍

2.4 实验结论

2.5 实验心得

2.6 实验思考：

下面是一段MIPS指令序列： 1 add $t1, $s1, $s0 2 sub $t2, $s0, $s3 3 add $t1, $t1, $t2

假定在本实验所用的五段流水线处理器中执行上述指令序列，请思考： （1）以上指令序列，哪些指令发生了数据相关？

（2）不采用“旁路”技术，需要在何处、加上几条nop指令才能使这段指令序列的执行避免数据冲突？

（3）如果采用“旁路”技术，是否可以完全解决数据冲突？不行的话，需要在何处、加上几条nop指令才能使这段指令序列的执行避免数据冲突？

（4）将自己的分析结果在仿真器上验证，充分理解“旁路”技术解决流水线数据冲突的思想。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0uzt.html