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计算机组成原理 实验报告 学院（系）： 软件学院 专 业： 软件工程 班 级： 13级java1班 学 号： 1315925031 姓 名： 王浩 2015年 11月 17 日 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） （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。 截图如下 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。 截图如下 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 如下 (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： 537264136 见下图 (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。 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：ADD.D $f2,$f0,$f1 和ADD.D $f5,$f0,$f1 结构冲突：EX 寄存器 截图如下 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。 结构冲突停顿周期为：35 占周期总数的百分比：67.30769% 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 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 对CPU 性能的影响：当发生冲突时，流水线会出现停顿，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数据存储器 (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。 2）加载data_hz.s。 3）关闭定向功能。 4）单