計算機組成原理實驗報告四

1、計算機組成原理實驗報告學院（系）： 軟件學院 專 業(yè)： 軟件工程 班 級： 13級java1班 學 號： 1315925031 姓 名： 王浩 2015年 11月 17 日實驗4 流水線及流水線中的沖突一.實驗目的（1）理解計算機流水線基本概念。（2）理解MIPS結構如何用5段流水線來實現(xiàn)。（3）理解各段的功能和基本操作。（4）加深對數(shù)據(jù)沖突、結構沖突的理解，理解這兩類沖突對CPU性能的影響。（5）進一步理解解決數(shù)據(jù)沖突的方法，掌握如何應用定向技術來減少數(shù)據(jù)沖突引起的停頓。二.實驗內(nèi)容和步驟（1）、啟動MIPSsim。（2）、根據(jù)預備知識中關于流水線各段操作的描述，進一步理解流水線窗口中各段的

2、功能，掌握各流水寄存器的含義。（用鼠標雙擊各段，就可以看到各流水寄存器的內(nèi)容）（3）、參照MIPSsim模擬器使用說明，熟悉MIPSsim模擬器的操作和使用方法。(4)、選擇配置菜單中的“流水方式”選項，使模擬器工作于流水方式下。5)、觀察程序在流水線中的執(zhí)行情況，步驟如下： 1）選擇MIPSsim的“文件”>“載入程序”選項來加載pipeline.s。截圖如下 2）關閉定向功能。這是通過“配置”>“定向”。3）用單步執(zhí)行一個周期的方式執(zhí)行該程序，觀察每一個周期中，各段流水寄存器內(nèi)容的變化、指令的執(zhí)行情況（“代碼”窗口）以及時鐘周期圖。截圖如下4）當執(zhí)行到第13個時鐘周期時，各段分

3、別正在處理的指令是： 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 畫出這時的時鐘周期圖如下(6)、這時各流水寄存器中的內(nèi)容為： IF/ID.IR： 2361655356 IF/ID.NPC： 48 ID/EX.A： 0 ID/EX.B： 0 ID/EX.IR： 25 ID/EX.Imm： 537067545 EX/MEM.ALUo： 4 EX/MEM.IR： 539099135 MEM/WB.LMD： 0 MEM/WB.ALU

4、o： 8 MEM/WB.IR： 537264136 見下圖(7)、觀察和分析結構沖突對CPU性能的影響，步驟如下： 1）加載structure_hz.s。2） 執(zhí)行該程序，找出存在結構沖突的指令對以及導致結構沖突的部件。結構沖突的指令：ADD.D $f2,$f0,$f1和ADD.D $f5,$f0,$f1 結構沖突：EX寄存器 截圖如下3） 記錄由結構沖突引起的停頓時鐘周期數(shù)，計算停頓時鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。結構沖突停頓周期為：35 占周期總數(shù)的百分比：67.30769%4）把浮點加法器的個數(shù)改為4個。5）再次重復步驟1）-步驟3）的工作6） 分析結構沖突對CPU性能的影響，討論解決

5、結構沖突的方法對CPU性能的影響：當發(fā)生沖突時，流水線會出現(xiàn)停頓，從而降低了CPU的性能。解決方法：在流水線處理機中設置相互獨立的指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器(8)、 觀察數(shù)據(jù)沖突并用定向技術來減少停頓，步驟如下： 1）全部復位。 2）加載data_hz.s。 3）關閉定向功能。4）單步執(zhí)行一個周期，同時查看時鐘周期圖，列出在什么時刻發(fā)生了RAW（先寫后讀）沖突。5） 記錄數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時鐘周期數(shù)及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)，計算停頓時鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比。第4、6、7、9、10、13、14、17、18、20、21、25、26、28、29、32、33、36、37、39、40、44、45、4

6、7、48、51、52、55、56、58、59周期發(fā)生了RAW沖突數(shù)據(jù)沖突停頓周期為：31 程序執(zhí)行的總時鐘周期為：65 停頓時鐘周期占總時鐘周期：53.84615% 6）復位CPU。 7）打開定向功能。8）單步執(zhí)行一個周期，同時查看時鐘周期圖，列出在什么時刻發(fā)生了RAW（先寫后讀）沖突，并與步驟（3）的結果進行比較。9） 記錄由數(shù)據(jù)沖突引起的停頓時鐘周期數(shù)以及程序執(zhí)行的總時鐘周期數(shù)，計算采用定向技術后的性能是原來的幾倍。第5、10、13、18、22、25、30、34、37周期RAW停頓時鐘周期數(shù)為：9 總時鐘周期數(shù)為：43 RAW停頓時鐘周期數(shù)占總執(zhí)行周期數(shù)的百分比：20.93023%采用定向技術后性能是原來的2.2786倍三.實驗結果分析當發(fā)生結構沖突時，流水線會出現(xiàn)停頓，從而降低了CPU的性能。要避免結構沖突就要在流水線處理機中設置相互獨立的指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。當發(fā)生數(shù)據(jù)沖突時，程序執(zhí)行并定向時的總停頓周期比沒有定向功能的時候少，說明要降低數(shù)據(jù)沖突的方法是對CPU復位并定向。4. 實驗心得通過本次實驗，我對流水線的工作原理、流水線的沖突以及解決方法都有了更深入直觀