实验二 流水线及流水线中的冲突
学号 121304089姓名 潘阿锋 班级 12计算机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. 实验平台：
实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim。
3. 实验内容和步骤：
首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。 （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。
可以先载入一个样例程序（在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条周期、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”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 （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： ADDI $r6,$r0,8 ID： BEQ $r1,$r0,ret EX： LW $r4,60($r6) MEM： ADDI $r3,$r0,25 WB： ADDI $r1,$r1,-1 画出这时的时钟周期图。 时钟周期图：
（6）这时各流水寄存器中的内容为：
IF/ID.IR： 0x00000000 IF/ID.NPC： 0x00000034
ID/EX.A： 0x0000000000000004 ID/EX.B： 0x0000000000000000 ID/EX.Imm： 0x0000000000000004 ID/EX.IR： 0x10200004
EX/MEM.ALUo： 0x0000000000000044 EX/MEM.IR： 0x8CC4003C
MEM/WB.LMD： 0x0000000000000000 MEM/WB.ALUo： 0x0000000000000019 MEM/WB.IR： 0x20030019
（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。
存在结构冲突的指令对 ADDI.D $f3,$f0,$f1和ADDI.D $f4,$f0,$f1 导致结构冲突的部件 IF和ID
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： 3；50% 。 4）把浮点加法器的个数改为4个。