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实验4流水线及流水线中的冲突一.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。（3）理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）流水线窗口如下所示：取指令（IF）、指令译码/读寄存器（ID）、执行/访存有效地址计算（EX）、存储器访问（MEM）、结果写回寄存器（WB）流水寄存器窗口：IF：ID：EX：MEM：WB流水线段为空(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。执行周期总数为1时：执行周期总数为2时：执行周期总数为3时：执行周期总数为4时：执行周期总数为5时：执行周期总数为6时：执行周期总数为7时：执行周期总数为8时：执行周期总数为9时：执行周期总数为10时：执行周期总数为11时：执行周期总数为12时：执行周期总数为13时：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$r3，$r0,25EX：ADDI$r1,$r1,-1MEM：ADDI$r6,$r0,8WB：ADD$r2,$r1,$r0画出这时的时钟周期图。(6)、这时各流水寄存器中的内容为：IF/ID.IR：2361655356IF/ID.NPC：48ID/EX.A：0ID/EX.B：0ID/EX.IR：537067545ID/EX.Imm：25EX/MEM.ALUo：4EX/MEM.IR：539099135MEM/WB.LMD：0MEM/WB.ALUo：8MEM/WB.IR：537264136(7)、观察和分析结构冲突对CPU性能的影响，步骤如下：1）加载structure_hz.s2）执行该程序，找出存在结构冲突的指令对以及导致结构冲突的部件。答：结构冲突的指令：ADD.D$f2,$f0,$f1和ADD.D$f3,$f0,$f1结构冲突部件：加法寄存器3）记录由结构冲突引起的停顿时钟周期数，计算停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比。答：结构冲突引起的停顿时钟周期数:9停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比:69.23077%4）把浮点加法器的个数改为4个。5）再次重复步骤1）-步骤3）的工作。1）加载structure_hz.s。2）执行该程序，找出存在结构冲突的指令对以及导致结构冲突的部件。答：结构冲突的指令：ADD.D$f4,$f0,$f1和ADD.D$f5,$f0,$f1,结构冲突部件：加法寄存器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。答：结构冲突引起的停顿时钟周期数:1停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比:14.28571%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：对CPU性能的影响:当发生冲突时，流水线会发生停顿，从而降低了CPU的性能。解决方法：在流水线处理机中设置相互独立的指令存储器和储存器(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。（所有的都回到最初状态）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。4、5、6、8、9、10、12、13、16、17、19、20、24、25、26、27、28、31、32、35、、36、38、39周期发生了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。数据冲突引起的停顿时钟周期数：23程序执行的总时钟周期数：43停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比:53.48837%6）复位CPU7）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：第4、6、8、9、10、12、13、18、20、22、24、25、30、32、34、36、37周期发生了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期数，计算采用定向技术后的性能是原来的几倍。答：数据冲突引起的停顿时钟周期数：13程序执行的总时钟周期数：43停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比:30.23256%采用定向技术后的性能是原来的1.77倍三.实验结果分析当发生结构冲突时，流水线会出现停顿，从而降低了CPU的性能。要避免结构冲突就要在流水线处理机中设置相互独立的指令存储器和数据存储器。当发生数据冲突时，程序执行并定向时的总停顿周期比没有定向功能的时候少，说明要降低数据冲突的方法是对CPU复位并定向。四.实验心得通过本次实验，我对流水线的工作原理、流水线的冲突以及解决方法都有了更深入的了解，对5段流水线的的理解和掌握更深刻了，通过观察时钟周期图能够辨别冲突类型及冲突原因，对结构冲突和数据冲突有了更好的认识。