计算机系统结构实验2报告

计算机系统结构实验

实验2：流水线及流水线中的冲突

（实验报告）

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学院：________________专业:_______________________班级:_____________________ 姓名：______________________学号:_________________

实验时间：__________________实验室：______________实验台：__________________ 指导老师签字：________________________________成绩：_______________________

一.实验目的

（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

（3）解各段的功能和基本操作。

（4）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。

（5）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.实验内容和步骤

（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。（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。

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

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： 2361655356

IF/ID.NPC： 48

ID/EX.A： 0

ID/EX.B： 0

ID/EX.IR： 25

ID/EX.Imm： 537067545

EX/MEM.ALUo： 4

EX/MEM.IR： 539099135

MEM/WB.LMD： 0

MEM/WB.ALUo： 8

MEM/WB.IR： 37264136

(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。

根据始终周期图可知存在结构冲突的指令是浮点加法指令fadd，导致结构冲突的部件是浮点加法器

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。

总周期数为52个，结构停顿周期数35个，占总执行周期数的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。

如上图，可知修改后结构冲突引起的停顿时钟周期数为2个，占总执行周期数的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。

结构冲突出现的频率较高，导致的停顿使得CPU流水的效率下降，可以通过分别设置独立的指令存储器和数据存储器的方法，或者仍只是一个存储器，但采用两个分离的Cache，即指令Cache和数据Cache

(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

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。

发生冲突的周期是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

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。

总时钟周期数65，其中数据冲突引起的停顿时钟周期数为31，占总周期数的47.69231%。

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。

发生冲突的周期为5、10、13、18、22、25、30、34、37，共9个

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期数，计算采用定向技术后的性能是原来的几倍。

程序执行的总周期数为43，其中数据冲突引起的停顿数为9个，采用定向技术后性能是原来的65/43=1.51倍

该程序中核心指令为：ADD.D A,B,C.该指令每次出现都会调用浮点加法器进行计算，这种因为资源冲突而不能正常执行，就产生了结构冲突。为了使各种组合的指令都能够顺利地重叠执行，需要对功能部件进行全流水处理或重复设置足够多的资源。后续试验中将浮点加法器的个数换成了四个。

根据实验结果得到的时钟周期图可知：浮点加法器的运算周期为六个时钟周期，存在结构冲突的指令是在六个时钟周期内同时需要调用浮点加法器的指令，导致结构冲突的部件是浮点加法器。如果将浮点加法器的个数设置成六个的话，该流水线又可以正常运行，消除stall现象，或者将浮点加法器进行全流水处理划分为多个流水段，这样也可以实现流水无STALL。

三.实验结果分析

四.讨论、建议、质疑