(31)--实验二：流水线及流水线中的冲突.doc

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1、实验二 流水线及流水线中的冲突2.1 实验目的1. 加深对计算机流水线基本概念的理解。2. 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。3. 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。4. 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。2.2 实验平台实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim。设计：张晨曦教授，版权所有。2.3 实验内容和步骤首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。详见附录：MIPSsim使用手册。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

2、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. 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个周期、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”，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（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）

3、。(2) 关闭定向功能。这是通过在“配置”“定向”（使该项前面没有“”号）来实现的。(3) 用单步执行一周期的方式（“执行”菜单中）或用F7执行该程序，观察每一周期中，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： ID： EX： MEM： WB： 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：_ _IF/ID.NPC：_ _ID/EX.A：_ _ID/EX.B：_ _ID/EX.Imm：_ _ID/EX.IR：_ _EX/MEM.ALUo：_ _EX/MEM.IR：_ _

4、MEM/WB.LMD：_ _MEM/WB.ALUo：_ _MEM/WB.IR：_ _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。(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）再次重复上述（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。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_h

5、z.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）。（3）关闭定向功能。这是通过在“配置”“定向”（使该项前面没有“”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。（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。这是通过在“配置”“定向”（使该项前面有一个“”号）来实现的。（8）用单步执行一周期的方式（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（3）的结果进行比较；（9）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。计算采用定向技术后性能提高的倍数。3