内容发布更新时间 : 2025/1/8 16:07:06星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

实验2 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）加深对数据冲突和资源冲突的理解，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

指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim。

2.3 实验内容和步骤

（1）启动MIPSsim。

（2）根据教材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。（鼠标双击各段，即可看到各流水寄存器的内容）

（3）载入一个样例程序（在本模拟器所在文件夹下的“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）观察程序在流水方式下的执行情况，步骤如下：

1) 选择“文件”→“载入程序”，加载pipeline.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程

序”文件夹中）。

2) 选择“配置”→“定向”（使该项前没有“√”），关闭“定向功能”。

3) 选择单步执行方式（在“执行”菜单中）或按F7来执行该程序，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个周期是，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 画出此时的时钟周期图。

（6）此时各流水寄存器的内容为：

IF/ID.IR： 2361655356 IF/ID.NPC： 48 ID/EX.A： 0 ID/EX.B： 0 ID/EX.Imm： 25 ID/EX.IR： 537067545 EX/MEM.ALUo： 4

EX/MEM.IR： 539099135 MEM/WB.LMD： 0 MEM/WB. ALUo： 8 MEM/WB.IR： 537264136

（7）观察和分析结构冲突对CPU的影响：

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周期数，计算停顿周期数占总执行周期数的百分比。

停顿周期数为41

停顿周期数占总执行周期数的百分比为78.84615% 4) 把浮点加法器的个数改为4个。

停顿周期数为8

停顿周期数占总执行周期数的百分比为42.10526%

5) 再重复1-3的步骤。

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：

1) 全部复位。

2) 加载data_hz.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（在“配置”菜单下选择取消“定向”）。

4) 用单步执行一个周期的方式执行该程序，观察时钟周期图，列出什么时刻发生了

RAW冲突。

从观察时钟周期图，在第4.6.7.9.10.13.14.17.18.20.25.26.28.29.33.32.36.37.39.44 454748 51 52 56 58 63 时刻发生了RAW冲突

5) 记录数据冲突引起的停顿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。

数据冲突引起的停顿时钟周期数为35 程序执行的总周期数为65

停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比53.84615% 6) 复位CPU。 7) 打开定向功能。

8) 用单步执行一个周期的方式执行该程序，查看时钟周期图，列出什么时刻发生了

RAW冲突，并与步骤3）的结果比较。 从时钟周期图中可以看出，在第5 9 17 21 29 33 41 时刻发生了RAW冲突，与步骤3比较，

9) 记录数据冲突引起的停顿周期数以及程序执行的总周期数。计算采用定向以后性能

比原来提高多少。

数据冲突引起的停顿周期数为13 程序执行的总周期数为43

采用定向以后性能比原来提高了

2.4 实验结论

2.5 实验心得