计算机系统结构实验二.docVIP

计算机系统结构实验报告 班级 实验日期 2015.3.27 实验成绩 姓名 学号 实验名称 流水线与流水线中的冲突 实 验 目 的 、 要 求 加深对计算机流水线基本概念的理解； 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； 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。 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 （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）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：__BEQ $r1 $r0 ret______________________________ ID：_____LW $r4 60 ($r6)___________________________ EX：______ ADDI $R3 $R0 25__________________________ MEM：__ ADDI $r1 $r1 -1____________________________ WB：_____ ADDI $r6 $r0 8___________________________ 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：___0___________________________ IF/ID.NPC：___0__________________________ ID/EX.A：_____0X0000000000000008___________________________ ID/EX.B：______0X000000000000000___________________________ ID/EX.Imm：____0X00000000000003C_________ ID/EX.IR：_________0x8CC4003C____________________ EX/MEM.ALUo：______0X0000000000000019_____________________ EX/MEM.IR：________0_____________________ MEM/WB.LMD：____0X000000000000000______ MEM/WB.ALUo：____0X000000000000004______ MEM/WB.IR：______0x2021FFFF________________________ （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。 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。 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。 结构冲突会是CPU性能下降，执行指令效率降低；解决结构冲突可以增加引起结构冲突的部件个数。 （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。如图所示在第4时钟周期发生了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。 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