计算机系统结构实验报告-流水线与冲突

计算机系统结构实验报告班级：0555555fhgdghhgd姓名：99999999学号：23020088888888888报告完成时间：20144444444计算机系统结构实验报告班级99999999999999实验日期tttttttttt实验成绩姓名88888学号88888888888888实验名称流水线与流水线中的冲突实验目的要求及器材实验目的：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。加深对计算机流水线基本概念的理解；实验平台：采用指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim；计算机一台。实验内容、步骤及结果实验内容和步骤：(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。(3)参照前一个实验的使用说明，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。①选择MIPSsim的文件-载入程序来加载pipeline.s②关闭定向功能③用单步执行一个周期的方式，观察每个周期中，各段流水寄存器内容的变化，指令执行情况和时钟周期图④当执行到第13个时钟周期时，记录各段指令IF：LW$r4,60($r6)0x0000002cID：ADDI$r3,$r0,250x00000028EX：ADDI$r1,$r1,-10x00000024MEM：ADDI$r6,$r0,80x00000020WB：ADDI$r2,$r1,$r00x0000001c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:8CC4003CIF/ID.NPC:00000030ID/EX.A:00000000000000000ID/EX.B:00000000000000000ID/EX.IMM:00000000000000019ID/EX.IR:20030019EX/MEM.ALU0:0000000000000004EX/MEM.IR:2021FFFFMEM/WB.LMD:0000000000000000MEM/WB.ALU0:0000000000000008MEM/WB.IR:20060008(7)观察和分析结构冲突对CPU性能的影响。①加载structure_hz.s②执行该程序，找出存在结构冲突的指令部件前两条指令在fadd存在冲突；第三至第八条指令之间在ID和FADD存在结构冲突；第九条在ID和EX存在冲突；第十条在ID存在冲突。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执行总周期数百分比可见结构停顿周期数为35，停顿周期数占执行周期总数的67.30769%。④把浮点加法器个数改为4个⑤重复1-3步骤冲突部件：第五条在fadd发生冲突，第六条在ＩＤ发生冲突，第九条在ＥＸ发生冲突，第十条在ID发生冲突。结构停顿周期数位2，占周期总数的10.52632%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.。结构冲突使得CPU的有效周期变少，CPU性能下降。为了使各种组合的指令都能够顺利地重叠执行，解决方法可以：对功能部件进行全流水处理或重复设置足够多的功能部件。(8)观察数据冲突并用定向技术来减少停顿①全部复位②加载data_hz.s③关闭定向功能④用单步执行一个周期的方式执行程序，同时查看时钟周期图，列出什么时候发生RAW冲突发生冲突的周期为：3、5、6、8、9、12、13、16、17、19、20、24、25、27、28、31、32、35、36、38、39、43、44、46、47、50、51、54、57、58⑤记录数据冲突引起的停顿时钟周期数和程序执行的总时钟周期数，计算百分比停顿时钟周期数为：31总时钟周期数为：65停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比=31/65=47.69231%⑥复位CPU⑦打开定向功能⑧单步执行程序，查看RAW冲突并与3结果比较程序在周期4、12、24、36时发生RAW冲突。跟步骤③相比较，定向比非定向RAW冲突大幅减少⑨记录数据冲突引起的停顿周期数和程序总时钟周期数，计算定向后性能是原来的几倍停顿时钟周期数：9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：20.93023%采用定向技术后性能是原来的2.2786倍总结通过本次实验，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直观的了解，加深了对经典5段RISC流水线的的理解和掌握，对于独立的运算执行部件例如fadd、fmul、fdiv替换EX时指令的执行轨迹形象的展现在我们面前。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，对结构冲突的解决办法一般是通过增加工作部件的方式增加并行度，解决数据冲突的方法一般是采用定向方式。附录无