计算机系统结构实验二

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1、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

2、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

3、别正在处理的指令是：IF：__BEQ$r1$r0ret______________________________ID：_____LW$r460($r6)___________________________EX：______ADDI$R3$R025__________________________MEM：__ADDI$r1$r1-1____________________________WB：_____ADDI$r6$r08___________________________画出这时的时钟周期图。（

4、6）这时各流水寄存器中的内容为：IF/ID.IR：___0X10200004____________________________IF/ID.NPC：___0X00000034___________________________ID/EX.A：_____0X0000000000000008___________________________ID/EX.B：______0X000000000000000___________________________ID/EX.Imm：____0X0000000

5、0000003C_________ID/EX.IR：_________0x8CC4003C____________________EX/MEM.ALUo：______0X0000000000000019_____________________EX/MEM.IR：________0x20030019_____________________MEM/WB.LMD：____0X000000000000000______MEM/WB.ALUo：____0X000000000000004______MEM/WB.

6、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

7、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

8、）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（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，并与步骤3的结果进行比较、。在第5个时钟周期出现RAW冲突913172125333741都出现了9）记录数据冲突引起的停顿