实验一 流水线及流水线中的冲突
流水线的相关问题
流水线只有连续不断地流动，不出现断流，才能获得高效率。
如果处理不当，使流水线产生“断流”，就会使流水效率显著下降。
流水过程中因为相关问题而产生冲突，是导致流水线断流的主要原因。
一般来讲，流水线的相关主要分为以下三种类型。
1. 结构相关结构相关是指当指令在重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，两条或两条以上指令争用同一资源而引起的冲突，因此，结构相关又称为资源相关。
例如，假设一条指令流水线由5段组成，分别为取指令（IF）、指令译码（ID）、取操作数（MEM）、执行运算（EX）和写寄存器（WR）。
该流水线的时空图如图8-12所示。
图8-12 5段指令流水线从图中可以看出，指令I2的取操作数和指令I4的取指令都需要访问存储器。
若机器中只有一个单端口存储模块，那么I2的取操作数和指令I4的取指令就产生了访存冲突，两个操作无法同时进行，这就是一种典型的资源冲突。
一种解决这种冲突的方法是在机器中增加存储器模块，如使用双端口存储器，使指令和数据分别存放在不同的存储器模块中，这样，取指令和取操作数就不会发生冲突。
另一种方法是，当发生取指令或取操作数冲突时，将其中一个操作的执行时间推迟，如图8-13所示。
当然，这样的话也就是发生了流水线的断流，流水线的吞吐率就下降了。
图8-13 访存相关引起流水线断流2. 数据相关当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠执行时，就有可能产生数据相关。
在流水计算机中，指令的处理是重叠进行的，前一条指令还没有结束，第二、三条指令就陆续地开始工作。
由于多条指令的重叠处理，当后继指令所需的操作数，刚好是前一指令的运算结果时，便发生数据相关冲突。
例如，某一时间以下3条指令在图8-12的流水线中执行。
ADD R1, R2, R3 ；（R2）＋（R3）→R1SUB R4, R1, R5 ；（R1）－（R5）→R4AND R6, R1, R7 ；（R1）∧（R7）→R6其中，SUB指令的EX段需要执行R1减R5，而同一时间，其上一条指令正在执行写结果到R1的操作。
流水线设计
流水线设计1. 概述在计算机科学中，流水线是一种用于提高计算机性能的技术。
它将复杂的任务划分为一系列简单的子任务，并且在同时执行这些子任务的同时传递数据，从而实现更高的吞吐量和更短的响应时间。
本文将介绍流水线设计的基本原理和常见的应用。
我们将讨论流水线的架构、流水线的设计要点以及流水线中可能遇到的一些问题和解决方案。
2. 流水线的架构流水线的基本架构由以下几个组成部分组成：2.1. 输入单元输入单元负责接收外部输入并将其转换为计算机可以处理的格式。
它可以是键盘、鼠标、传感器等。
输入单元还可以包括解码器、缓冲区等组件，以提高数据传输的效率和稳定性。
2.2. 控制单元控制单元负责协调整个流水线中的各个组件的操作。
它根据指令和状态信息来决定下一步的操作，并将相应的指令发送给执行单元。
2.3. 执行单元执行单元是流水线中最重要的部分之一。
它负责执行任务的实际计算部分。
执行单元可以包括算术逻辑单元(ALU)、浮点运算单元(FPU)、乘法器、除法器等。
执行单元可以根据具体的需求进行扩展和优化。
2.4. 存储单元存储单元用于存储流水线中的数据和指令。
它可以是寄存器、缓存、内存等。
存储单元要具备高速访问和大容量的特性，以满足流水线的高效率要求。
2.5. 输出单元输出单元将计算结果输出给外部设备或其他计算机系统。
它可以是显示器、打印机、网络接口等。
输出单元还可以包括编码器、缓冲区等组件，以提高数据传输的效率和稳定性。
3. 流水线的设计要点在设计流水线时，我们需要考虑以下几个要点：3.1. 指令级并行流水线可以将任务划分为一系列子任务，并且在同时执行这些子任务的同时传递数据。
这种指令级并行可以提高计算机的性能。
在设计流水线时，我们需要合理划分子任务，并确保它们之间的依赖关系正确处理。
3.2. 数据冲突在流水线中，由于子任务之间的数据传递，可能会出现数据冲突的情况。
数据冲突会导致流水线的停顿和性能损失。
为了解决数据冲突，我们需要采取一些技术手段，如使用缓存、乱序执行、数据旁路等。
计算机体系结构——流水线技术（Pipelining）
单功能流水线：流水线只完成一种固定功能 多功能流水线：流水线可以完成多种功能，如 TI公司的ASC机，8段流水线，能够实现：定点加减 法、定点乘法、浮点加法等功能 3.按同一时间内各段之间的连接方式分 静态多功能流水线 ：同一时间内，多功能结构只能按一种功能的连接方式工作。 动态多功能流水线：在同一时间内，可以有多种功能的连接方式同时工作 4.按处理的数据类型 标量流水线 向量流水线 5.按控制方式 同步流水线 异步流水线：当Si功能段要向Si+1段传送数据时，首 先发出就绪信号，Si+1功能段收到信号后，向Si回送 一个回答信号。 6.按任务从输出端的流出顺序 顺序流水方式：指令流出顺序 = 指令流入顺序 乱序流水方式：指令流出顺序 ！= 指令流入顺序 7. 线性流水线——不带反馈回路的流水线
三、流水线的分类（了解）
四、流水线相关及冲突（重点） 1.流水线相关 2.流水线冲突 3.流水线冲突带来问题 4.数据冲突及其解决方案 5.结构冲突及其解决方案 6.控制冲突及其解决方案
五、流水线性能分析(含例题讲解) 1.流水线的基本参数——吞吐率 2.流水线的基本参数——加速比 3.流水线的基本参数——效率 4.结果分析 5.有关流水线性能的若干问题
整体评估、反馈、再改进
3. 指令周期
单周期处理机模型：一个周期完成一个指令（每个周期是等长的），指令长度可能不一样，会造成很大的浪费 多周期处理机模型：将一个指令的完成划分成若干个周期来实现 流水线模型
二、流水线技术 1. 什么是流水线？ 计算机中的流水线是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程与其他子过程并行进行。由于这种工作方式与工厂中的生产 流水线十分相似， 因此称为流水线技术 从本质上讲，流水线技术是一种时间并行技术。
3-2 流水线技术
IF
ID
IF
EX
MEM
WB
IF ID IF EX ID IF MEM EX ID IF WB MEM EX ID WB MEM EX
stall stall
3、控制冲突
由分支指令引起的延迟称为分支延迟。 分支指令在目标代码中出现的频度很高，性能 损失很大。
据统计，每3～4条指令就有一条是分支指令。 假设：分支指令出现的频度是30％， 流水线理想 CPI＝1， 那么：流水线的实际 CPI ＝ 1.9。系统性能损失将 近50%！
分支指令 分支目标指令 分支目标指令+1 分支目标指令+2 分支目标指令+3 IF ID IF EX MEM WB IF ID IF EX ID IF MEM EX ID IF WB MEM EX ID WB MEM EX
stall stall
简单处理分支指令：分支失败的情况
分支指令
分支后继指令 分支后继指令+1 分支后继指令+2 分支后继指令+3
将计算结果写入R1
6
7
8
9
MEM WB EX MEM ID IF EX ID IF
WB MEM WB EX MEM WB ID EX MEM
读R1
WB
（1）数据相关冲突的3种类型
根据指令读访问和写访问的顺序，可以将数据 冲突分为3种类型： 考虑两条指令i和j ，且i在j之前进入流水线， 可能发生的数据冲突有：
写后读冲突（RAW）：在 i 写入之前，j 先去读。
j 读出的内容是错误的。这是最常见的一种数据
冲突，它对应于真数据相关。
数据相关冲突的3种类型
写后写冲突（WAW）：在 i 写入之前，j 先写。最
流水线相关性分析
1、指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。
相关影响流水线性能。
程序中出现的数据相关lbu r3,0x0(r2)需要在WB周期才能将值写入r3里，而后续的指令seqi r5,r3,0x0a在intEx周期里读取r3寄存器的值，发生了读写相关。
正常它的执行阶段需要等待上一条指令将值写入r3后才能读r3寄存器的值，所以为了避免冲突，这里我们采用定向技术，在发生数据相关时，等待前面计算结果的指令并不一定真的马上就用到该计算结果，如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要它的地方，就可以避免暂停。
程序中出现的控制相关Movi2fp f10,r1在IF指令周期后为aborted。
原因在于：第二条指令jal InputUnsigned为无条件转移指令，但是只有在该指令译码的时候才可以知道转移的位置。
但是此时Movi2fp f10,r1指令已经取出，所以需要将该指令流水清空，由于是刚执行了IF指令，所以只需要重新取新的指令就可以了。
程序中出现的结构相关由于以上指令add r1,r1,r3的intEx的执行延迟了4个指令周期，所以addi r2,r2,0x1指令就不能在add r1,r1,r3的intEx的执行前进入ID指令译码的执行。
所以这里出现了指令译码器的争用。
因而发生了结构相关。
2、考察增加浮点运算部件对性能的影响下面两组数据来自Statistics窗口，都是5的阶乘，分别是运算部件设置为一个，运算部件设置为两个的数据统计。
通过比较可以发现，这两组数据在性能统计上是一样的。
所以增加浮点运算部件对性能的影响没有什么影响（对于该程序而言）。
3、考察增加forward部件对性能的影响左右分别是采用forwarding和没有采用forwarding部件的统计效果。
性能比较必须是计算同一个值的时候。
通过比较发现，采用forwarding 技术，总的周期数为95次，暂停了31次。
而没有采用forwarding 技术则总的周期数为112次，暂停了49次。
计算机组成原理流水线设计基础知识全面解析
计算机组成原理流水线设计基础知识全面解析计算机组成原理是计算机科学与技术的基础课程之一，而流水线设计则是其中的重要内容之一。
本文将全面解析计算机组成原理流水线设计的基础知识，介绍其工作原理、优势、流水线冲突及解决方法等内容。
一、工作原理计算机组成原理中，流水线设计是通过将指令的执行过程划分为多个阶段，并将这些阶段在不同的处理单元上并行执行的方式，从而提高指令的执行效率。
流水线设计主要包含以下几个阶段：1. 取指令阶段（IF）：从内存中读取指令并将其送至指令译码器。
2. 指令译码阶段（ID）：对指令进行解码，判断其类型，并提取相关寄存器的值。
3. 执行阶段（EX）：根据指令的类型，对操作数进行计算，并将结果保存至寄存器中。
4. 访存阶段（MEM）：如果指令需要访问内存，则进行内存读取或写入操作。
5. 写回阶段（WB）：将计算结果写回到寄存器中。
通过将指令的执行划分为多个阶段，并使用多个处理单元并行执行，流水线设计可以大大提高指令的执行效率，加快程序的运行速度。
二、优势流水线设计具有以下几个优势：1. 并行处理：通过将指令的执行划分为多个阶段，并使用多个处理单元并行执行，可以加快指令的执行速度。
2. 提高资源利用率：由于每个处理单元都可以执行不同的指令阶段，因此可以充分利用硬件资源，提高整体的资源利用率。
3. 灵活性：不同的指令可以使用不同的处理单元进行执行，在保持高效率的同时，增加了系统的灵活性，可以执行更多的指令类型。
然而，除了以上的优势外，流水线设计也存在一些问题，即流水线冲突。
三、流水线冲突及解决方法1. 结构冲突：当多个指令需要使用同一硬件资源时，会发生结构冲突。
例如，同时对存储器进行读取和写入操作。
解决方法：通过增加硬件资源的数量或调整指令的执行顺序，可以避免结构冲突的发生。
2. 数据冲突：当后续指令需要使用前一条指令的运算结果时，会发生数据冲突。
例如，一条指令的结果被另一条指令使用。
解决方法：可以通过插入空闲周期或使用旁路机制，将结果传递给后续指令，从而解决数据冲突。
数字系统设计-流水线CPU设计
实验报告课程名称：数字系统设计实验Ⅱ学院：信电系数字系统设计实验Ⅱ流水线MIPS微处理器设计ContentsPart 1实验目的 (3)Part 2实验任务 (3)Part 3实验原理 (4)Part 4实验步骤 (12)1.IF级设计 (12)2.ID级设计 (14)3.Decode单元设计 (16)4.ALU单元设计 (22)5.EX级设计 (27)6.顶层模块设计 (29)Part 5仿真和波形分析 (37)1.IF级仿真分析 (37)2.Decode单元仿真分析 (38)3.ALU仿真分析 (40)4.顶层仿真分析 (41)Part 6心得 (42)实验报告一、实验目的（1）了解提高CPU性能的方法。
（2）理解数据冒险、控制冒险的概念以及流水线冲突的解决方法。
（3）掌握流水线MIPS微处理器的工作原理。
（4）掌握流水线MIPS微处理器的测试方法。
二、实验任务设计一个32位流水线MIPS微处理器。
设计要求：（1）至少执行下列MIPS32指令。
①算数运算指令：ADD ADDU SUB SUBU ADDI ADDU②逻辑运算指令：AND OR NOR XOR ANDI ORI XORI SLT SLTI SLTU SLTIU③移位指令：SLL SLLV SRL SRLV SRA④条件分支指令：BEQ BNE BGEZ BGTZ BLEZ BLTZ⑤无条件跳转指令：J JR⑥数据传输指令：LW SW⑦空指令：NOP（2）在用5级流水线技术，对数据冒险实现转发或阻塞功能。
（3）在XUP Vietex-II Pro开发系统中实现MIPS微处理器，要求CPU的运行速度大于25MHz.三、实验原理1.流水线MIPS CPU总体设计与构建流水线是数字系统中一种提高系统稳定性和工作速度的方法，广泛应用在高档CPU的构建中。
根据MIPS处理器指令的特点，将整体的处理过程分为取指令（IF）、指令译码、执行、存储器访问和寄存器写回五级，对应多周期CPU的五个处理阶段。
3.3 流水线相关冲突及解决办法_v3.0介绍
计算机体系结构
3.4 流水线的相关
例如：考虑下述代码： DIV.D F2，F6，F4 ADD.D F6，F0，F12 SUB.D F8，F6，F14 DIV.D和ADD.D存在反相关。 进行寄存器换名（F6换成S）后，变成： DIV.D F2，F6，F4 ADD.D S，F0，F12 SUB.D F8，S，F14
2.
北京信息科技大学
计算机体系结构
3.4 流水线的相关
指令j与指令i之间的名相关有两种：
反相关：如果指令j写的名与指令i读的名相同，则 称指令i和j发生了反相关。
指令j写的名＝指令i读的名
输出相关：如果指令j和指令i写相同的名，则称指 令i和j发生了输出相关。
指令j写的名＝指令i写的名
北京信息科技大学
计算机体系结构
3.4 流水线的相关
数据相关 对于两条指令i（在前，下同）和j（在后，下同），如 果下述条件之一成立，则称指令j与指令i数据相关。 指令j使用指令i产生的结果； 指令j与指令k数据相关，而指令k又与指令i数据相关。 数据相关具有传递性。 数据相关反映了数据的流动关系，即如何从其产生者流 动到其消费者。
北京信息科技大学
计算机体系结构
3.4 流水线的冲突
由于访问同一个存储器而引起的结构冲突 北京信息科技大学
计算机体系结构
3.4 流水线的冲突
为消除结构冲突而插入的流水线气泡 北京信息科技大学
计算机体系结构
3.4 流水线的冲突
引入暂停后的时空图 指令编号 1 指令i 指令i+1 指令i+2 指令i+3 指令i+4 指令i+5 IF 2 ID IF 3 EX ID IF 4 MEM EX ID stall 时钟周期 5 WB MEM EX IF WB MEM ID IF WB EX ID IF WB MEM EX ID WB MEM EX WB MEM 6 7 8 9 10
流水线实习心得
生产实习的目的及其意义1、生产实习是一个本科学生教育计划中非常重要的实践性教育环节，是理论教育的补充和完善。
同时生产实习将理论知识和实际应用联系起来，增强学生的感性认识。
2、培养我们的团结合作精神，牢固树立我们的群体意识。
告诉我们生产线不仅仅是一个人的工作，而是一个团队共同的工作，要想完成任务就必须“先克制自己做好，再仔细的为团队努力，从而完成共同的产量”。
3、深入生产第一线进行观察和调查研究，使学生较全面的了解生产组织和生产过程，从而知道生产实际知识。
4、加强高校与企业间的联系，促使高校对专业培养方向的调整，同时厂家也了解到当今大学生的基本素质。
从而完成厂家的需求，学校能够更合理的对学生进行培养完成厂校合作。
实习单位公司是位于天津河北区的天津通信广播集团有限公司（国营第七一二厂），它具有七十余年发展历史的综合性电子工业企业，国家一级企业，是中国第一台电视机的诞生地。
1958年在国家首家推出“北京”牌电视机，被誉为“华夏第一屏”。
2006年被评为中国电子百强企业。
实习主要内容1、实习培训（1）、流水线原理的培训：告诉我们每个工位都有自己的工作，只有自己完成该工位的工作，才能使下一个工位更好的发挥，最终完成任务。
他始终始终遵循一个原则“一个格子一个活”。
（2）、5s培训：5s是整理（seiri）、整顿（seiton）、清扫（seiso）、清洁（seiketsu）和素养（shitsuke）这五个词语的缩写。
因为这5个词语日语中罗马拼音的第一个字母都是“s”所以简称“5s”。
通过培训使我们能否正确、完美的完成自己的任务。
它主要起到监督、管理的作用。
比如说生产中不能摞板、摞机、摔板和摔机，也不能不佩戴指套腕带。
按找操作指导书做事，才是应该做的事情。
（3）、防静电只是的培训：工作中正确的佩戴防静电护腕、防静电鞋、防静电帽子、防静电工作服和指套以及防静电腕带的测试。
让我们知道静电对电子产品的危害，从而正确的保护自己手上的产品不受到静电的影响。
计算机体系结构流水线与并行处理的测试
计算机体系结构流水线与并行处理的测试计算机体系结构的不断发展和演进使得计算机的性能有了极大的提升。
在这个过程中，流水线技术和并行处理技术被广泛应用于计算机体系结构设计中，以实现更高效和快速的计算能力。
然而，为了确保计算机体系结构的正确性和稳定性，对流水线和并行处理的系统进行测试显得尤为重要。
一、流水线的测试流水线技术是指将一条指令的执行分为多个阶段，不同阶段可以并行运行，从而提高处理指令的速度。
在流水线中，存在着各种可能的冲突，例如结构冲突、数据冲突和控制冲突。
为了测试流水线，必须充分考虑这些冲突，并设计相应的测试用例。
结构冲突是由于多个操作共享同一资源导致的问题，例如多个指令同时访问同一个存储器单元。
为了测试结构冲突，可以设计多个操作并发执行，观察是否会发生资源竞争的情况。
数据冲突是由于后续指令需要依赖前面指令的结果而导致的问题，例如后一条指令需要使用前一条指令的运算结果。
为了测试数据冲突，可以设计一系列需要数据依赖的指令，观察数据是否能够正确传递和处理。
控制冲突是由于分支指令的执行而导致的问题，例如跳转指令会改变程序的执行流程。
为了测试控制冲突，可以设计各种不同的分支情况，观察分支指令是否能够正确地改变程序的执行路径。
二、并行处理的测试并行处理技术是指同时运行多个处理器来执行多个指令或任务，以提高整个系统的并行计算能力。
对于并行处理系统的测试，需要充分考虑并行计算的正确性、性能和可扩展性。
对于并行计算的正确性测试，可以设计一系列的并行任务，观察是否能够正确执行和得到预期的结果。
同时，还需要测试并行任务之间的通信和同步机制，以确保数据能够正确地传递和协调。
对于并行计算的性能测试，可以通过设计大规模的并行任务或者重复执行同一个任务来评估计算系统的性能。
观察计算系统的并行效率、加速比和负载平衡等指标，以评估并行处理的性能提升程度。
对于并行计算的可扩展性测试，可以通过逐步增加处理器数量或者增加任务规模来观察系统的扩展性能力。
计算机体系结构流水线冲突与乱序执行的解决方法
计算机体系结构流水线冲突与乱序执行的解决方法在计算机体系结构中，流水线是一种有效提高指令处理速度的技术。
然而，流水线执行过程中可能会出现冲突和乱序执行的问题。
本文将探讨流水线冲突的原因以及相应的解决方法。
一、流水线冲突的原因在流水线中，冲突主要由以下几个因素引起：1. 结构冲突：当多个指令需要同时访问同一个计算资源，比如存储器或者寄存器时，产生结构冲突。
这会导致流水线阻塞，降低执行效率。
2. 数据冲突：数据相关性是指指令间存在的数据依赖关系。
当某个指令需要等待上一条指令的执行结果时，就会发生数据冲突。
数据冲突分为读后写、写后读和写后写三种类型。
3. 控制冲突：当分支指令的判断结果还未确定时，指令执行流程可能发生改变。
这会导致原本在流水线中已经执行的指令无效，需要清空掉重新执行，造成控制冲突。
二、解决结构冲突的方法针对结构冲突，可以采取以下几种解决方法：1. 资源冲突解决：通过增加计算资源的数量来解决结构冲突。
比如增加缓存的容量、加大寄存器的数量等。
这样可以减少多个指令竞争同一资源的情况。
2. 指令重排解决：在源代码级别上进行指令重排，通过调整指令的顺序来避免结构冲突。
这一般需要编译器的支持，通过静态分析源代码并进行优化。
三、解决数据冲突的方法对于数据冲突，有以下几种解决方法：1. 数据旁路解决：当一个指令需要等待上一条指令的执行结果时，可以通过数据旁路的方式将上一条指令的结果直接传递给下一条指令，避免流水线的停顿。
2. 数据预测解决：对于分支指令引起的数据冲突，可以采用数据预测的方法来预测分支的结果。
如果预测正确，可以顺利执行；如果预测错误，则需要清空流水线并重新执行。
四、解决控制冲突的方法针对控制冲突，可以采取以下几种解决方法：1. 预测解决：通过对分支指令进行预测，尽可能准确地预测分支结果，从而减少控制冲突。
常用的预测方法有静态预测和动态预测。
2. 延迟解决：在流水线中引入延迟槽，即在分支指令后面放置几条无关紧要的指令，以填充流水线的空闲时间。
流水线操作技术
发生流水线冲突的例子
数据 未准 备好 冲突
在流水线的寻址 阶段生成地址
冲突
数据未准备好
在流水线的执行 阶段进行写操作
解决 无等待周期问题
19
总线 冲突
在流水线的 发生流水线冲突的例子 执 行 阶 段 进
行写操作
冲突
同时利用E总线
读数阶段 将 常 数 10 写到AR1
解决
新冲突
数据未准备好
CPU自动地 将STM的写 操作延迟 一个周期
1
预取指P 取指F 译码D 寻址A 读取操作数R 执行X
流水线操作
在第一个机器 周 期 用 PC 中 的 内容加载PAB
在第二个机器周 期用读取到的指 令字加载PB。
第三个周期用PB的内容加载 指令寄存器IR，对IR内的指 令进行译码，产生执行指令 所需要的一系列控制信号。 2
流水线操作
预取指P 取指F 译码D 寻址A 读取操作数R 执行X
插入1个 所有其它存储指令 包括EXP
所有其它存储指令 令
SXM C16 FRCT OVM A 或B
在RPTB[D]前读 BRC
所有存储指令 包括SSXM和RSXM
修改累加器然后读 MMR
STM # lk，BRC
所有其它存储指令
ST # lk，BRC
MVDK Smem，BRC
MVMD MMR，BRC
利用前半周期 利用前半周期 利用后半周期 利用后半周期
14
CPU同时访问DARAM的同一存储器块就会发生时 序上的冲突的情况：
同时从同一存储器块中取指和取操作数（都在 前半个周期）；
同时对同一存储器块进行写操作和读（第二个 数）操作（都在后半周期）。
流水线注意事项
流水线注意事项
以下是流水线的一些注意事项：
1. 程序依赖：流水线上的指令需要按照正确的顺序执行，因为后续指令可能依赖于之前指令的结果。
如果指令顺序不正确，可能会导致程序逻辑错误。
2. 数据冲突：流水线上的指令之间可能存在数据冲突，包括读后写冲突（RAW）、写后读冲突（WAR）和写后写冲突（WAW）。
这些冲突可能会导致预测错误或者结果错误。
3. 管道阻塞：流水线中的某个阶段可能由于数据冲突、分支预测失败等原因导致阻塞，导致整个流水线停滞。
这可能会降低流水线的性能。
4. 分支预测：流水线中的分支指令可能会导致流水线的预测错误，从而导致之后的指令无效。
为了减少预测错误的影响，可以采用分支预测策略，如静态预测、动态预测等。
5. 异常处理：流水线中的异常指令可能会在执行过程中触发异常，如除零、越界等。
需要设计相应的异常处理机制来正确处理这些异常情况。
6. 资源冲突：流水线中的某些阶段可能需要共享一些硬件资源，如寄存器、缓存等。
如果多个指令同时需要使用同一个资源，可能会导致资源冲突，需要采取
合适的调度策略来避免冲突。
7. 指令冗余：流水线中的一些指令可能是无效的，如跳转指令的目标条件不满足时，后续的指令就是无效的。
需要采取相应的方法来减少这种冗余。
8. 性能评估：设计流水线时，需要进行性能评估来确定流水线的吞吐量、延迟等指标。
这将有助于优化设计和调整流水线参数。
这些注意事项在设计和优化流水线时需要考虑，以确保流水线的正确性和性能。
计算机组成原理与指令流水线探究
计算机组成原理与指令流水线探究计算机组成原理是指计算机硬件和软件之间相互协调、相互配合的总体规律。
而指令流水线是计算机组成原理中一个重要的概念，它可以提高计算机的运行效率，加快指令执行速度。
本文将深入探究计算机组成原理与指令流水线的关系，并对其进行详细阐述。
【引言】计算机组成原理是计算机科学中的重要学科之一，通过研究计算机的基本组成部分和运行原理，可以理解计算机的工作原理和运行机制，从而更好地进行计算机系统设计与优化。
而指令流水线则是计算机组成原理中的一种设计思想，通过将指令执行过程划分为多个步骤，并流水化地执行，以提高指令执行效率。
下面将对计算机组成原理与指令流水线进行深入探究。
【计算机组成原理】1. 中央处理器（CPU）：中央处理器是计算机的核心部件，负责控制和执行计算机的指令。
CPU主要由控制单元、算术逻辑单元和寄存器组成，其中控制单元负责指令的解码和执行，算术逻辑单元负责进行各种算术和逻辑运算。
2. 存储器：存储器用于存储数据和程序，包括内存和外存。
内存是计算机中的主要存储设备，用于存储当前运行的程序和数据，而外存则用于长期存储数据和程序。
3. 输入输出设备：输入输出设备用于与计算机进行数据和信息的交互，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
输入设备将外部的数据输入到计算机，输出设备将计算机处理后的数据输出给用户。
【指令流水线】指令流水线是一种将指令执行过程划分为多个步骤，并在不同的时钟周期内同时执行不同指令的技术。
通过流水线的方式，计算机可以同时执行多条指令，提高指令的执行效率。
指令流水线主要包括以下几个阶段：1. 取指令（IF）：根据程序计数器提供的地址，从内存中取出指令，并将程序计数器加一。
2. 译码（ID）：对取出的指令进行解码，确定指令的操作类型和操作数。
3. 执行（EX）：根据指令的操作类型和操作数，执行相应的算术和逻辑运算。
4. 访存（MEM）：将执行阶段得到的结果存储到内存中，或从内存中取出操作数。
如何利用流水线技术提高程序执行效率(六)
如何利用流水线技术提高程序执行效率随着计算机应用的不断扩展和发展，程序执行效率的提高成为了开发者和用户共同关注的问题。
而流水线技术，作为一种提高程序执行效率的方法，在这一问题的解决中发挥着重要的作用。
本文将从流水线的工作原理、流水线的应用前景以及流水线技术所面临的挑战等方面，深入探讨如何利用流水线技术提高程序执行效率。
一、流水线的工作原理流水线技术的核心是将复杂的任务分解成一系列简单的子任务，然后将这些子任务分别交由各个处理单元并行完成。
流水线处理单元之间通过无缝衔接进行数据传输，从而实现任务的高效执行。
在流水线中，每个处理单元专门负责特定的工作，由于任务被分解成了多个子任务并行执行，因此可以大大提高任务的执行速度。
而且，不同的处理单元可以同步工作，减少了处理单元之间的等待时间，进一步提高了整体效率。
二、流水线的应用前景流水线技术已经广泛应用于计算机领域的各个方面，例如计算机图形处理、人工智能等。
在计算机图形处理方面，流水线可以有效地提高渲染速度和实时性，使得图形应用更加流畅和真实。
在人工智能方面，流水线可以将复杂的机器学习算法分解成多个小任务，并行执行，从而提高训练和推理的效率。
此外，随着计算机应用的不断深入和发展，程序执行效率的提高已经成为了人们普遍关心的问题。
流水线技术正是解决这一问题最有效的手段之一。
通过流水线技术的应用，可以更加高效地完成各种计算任务，提高计算机的整体性能和用户体验。
三、流水线技术面临的挑战然而，流水线技术的应用也面临着一些挑战。
首先，流水线中的处理单元需要在没有数据冲突的情况下进行任务划分和调度，以确保每个子任务的执行顺序和并行度。
这对于算法设计和性能优化需要有更高的要求。
其次，由于任务的并行性，流水线技术对硬件资源的要求也较高。
例如，需要有足够的处理器核心和高速的数据总线来支持数据传输和计算的并行操作。
这意味着需要投入更多的资金和资源来进行硬件的设计和扩展。
最后，流水线技术应用的可扩展性也是一个挑战。
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实验一流水线及流水线中的冲突程元彬PB12011076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。
5.加深对指令调度和延迟分支技术的理解；6.熟练掌握用指令调度技术来解决流水线中的数据冲突的方法；7.进一步理解指令调度技术和延迟分支技术对CPU性能的改进。
实验平台指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim，实验内容和步骤首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。
一、流水线及流水线中的冲突观察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. 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. 勾选配置菜单中的“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)用MIPSsim的“文件”菜单中的“载入程序”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。
这是通过在“配置”菜单中去选“定向”（即使得该项前面没有“√”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10个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是：IF：ADDI $r6,$r0,8ID：ADD $r2,$r1,$r0EX：BGEZAL $r1,funcMEM：无WB：无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：537264136IF/ID.NPC：36ID/EX.A：5ID/EX.B：0ID/EX.Imm：4ID/EX.IR：2101280EX/MEM.ALUo：0EX/MEM.IR：70320132MEM/WB.LMD：0MEM/WB.ALUo：0MEM/WB.IR：703201327. 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；存在结构冲突的语句有ADD.D $f3,$f0,$f1ADD.D $f4,$f0,$f1ADD.D $f5,$f0,$f1ADD.D $f6,$f0,$f1ADD.D $f7,$f0,$f1ADD.D $f8,$f0,$f1ADD.D $f9,$f0,$f1导致结构冲突的部件为，浮点加法器。
(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；由结构冲突引起的停顿时钟周期数为35，停顿周期总数为41，总执行周期数为52，所以停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比为78.846%（4）把浮点加法器的个数改为6个；（5）再次重复上述（1）～（3）的工作；现在并没有结构冲突导致停顿的周期了，总执行周期数为17，其中停顿时钟周期数为6，停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比为35.294%（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。
结构冲突的发生会让CPU停顿，从而大大降低CPU的性能。
解决结构冲突的方法：附加冗余的硬件，从而在以前发生结构冲突的时候可以用不同的硬件并行处理。
8. 观察数据冲突并用定向技术来减少停顿，步骤如下：（1）把浮点加法器的个数改为1个；（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。
这是通过在“配置”菜单中去选“定向”（即使得该项前面没有“√”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；第4周期的时候，ADDIU $r2,$r0,56进入MEM段的时候LW $r1,0($r2)在ID段，发生RAW冲突。
第6周期的时候，ADD $r1,$r1,$r3进入ID段的时候LW $r1,0($r2)在EX段，发生RAW冲突。
第9周期的时候，ADD $r1,$r1,$r3进入EX段的时候SW $r1,0($r2)在ID段，发生RAW冲突。
第13周期的时候，ADD $r5,$r5,10进入ID段的时候LW $r5,0($r1)在EX段，发生RAW冲突。
第17周期的时候，ADDI $r2,$r2,4进入EX段的时候SUB $r4,$r3,$r2在ID段，发生RAW冲突。
第20周期的时候，BGTZ $r4,loop进入ID段的时候SUB $r4,$r3,$r2在EX段，发生RAW冲突。
……循环了，后面的和前面类似，省略。
（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；数据从图引起的停顿时钟周期数为31，总停顿时钟周期总数为35，程序执行的总时钟周期数为65，停顿时钟周期数占总执行周期数的53.846%，数据停顿时钟周期数占总执行周期数的47.692%（6）复位CPU；（7）打开定向功能。
这是通过在“配置”菜单中勾选“定向”（即使得该项前面有一个“√”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；第5周期的时候，ADD $r1,$r1,$r3进入ID段的时候LW $r1,0($r2)在EX段，发生RAW冲突。
第13周期的时候，BGTZ $r4,loop进入ID段的时候SUB $r4,$r3,$r2在EX段，发生RAW冲突。
……循环后的省略。
我们发现数据冲突明显减少了。
（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。
数据从图引起的停顿时钟周期数为9，总停顿时钟周期总数为13，程序执行的总时钟周期数为43，停顿时钟周期数占总执行周期数的30.233%，数据停顿时钟周期数占总执行周期数的20.93%，提高的倍数为2.573倍二、指令调度和延迟分支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. 勾选配置菜单中的“流水方式”，使模拟器工作于流水方式下。
4. 用指令调度技术解决流水线中的结构冲突与数据冲突。
（1）启动MIPSsim；（2）通过“配置”菜单中的“常规配置”项把加法﹑乘法﹑除法部件的个数设置为两个，把它们的延迟时间都设置为3个时钟周期；（3）用MIPSsim的“文件”菜单中的“载入程序”来加载schedule.asm（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）；（4）关闭定向功能。
这是通过在“配置”菜单中去选“定向”（即使得该项前面没有“√”号）来实现的。
（5）执行所载入的程序，通过查看统计数据和时钟周期图，找出并记录程序执行过程中各种冲突发生的次数、发生冲突的指令组合，以及程序执行的总时钟周期数；第3周期的时候，ADDIU $r1,$r0,56进入EX段的时候LW $r2,0($r1)在ID段，发生RAW数据冲突。
第6周期的时候，ADD $r4,$r0,$r2进入ID段的时候LW $r2,0($r1)在EX段，发生RAW数据冲突。
第9周期的时候，ADD $r4,$r0,$r2进入EX段的时候SW $r4,0($r1)在ID段，发生RAW数据冲突。
第13周期的时候，ADD $r8,$r6,$r1进入ID段的时候LW $r6,4($r1)在EX段，发生RAW数据冲突。
第17周期的时候，ADD $r12,$r10,$r1进入EX段的时候ADD $r16,$r12,$r1在ID段，发生RAW数据冲突。
第20周期的时候，ADD $r18,$r16,$r1进入ID段的时候ADD $r16,$r12,$r1在EX段，发生RAW数据冲突。
第23周期的时候，ADD $r18,$r16,$r1进入EX段的时候SW $r18,16($r1)在ID段，发生RAW数据冲突。
第27周期的时候，MUL $r22,$r20,$r14进入ID段的时候LW $r20,8($r1)在EX段，发生RAW数据冲突。
程序执行的总周期数为33。
（6）采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除冲突。
将调度后的程序放到after-schedule.asm中；调度后的指令为：.textmain:ADDIU $r1,$r0,AMUL $r24,$r26,$r14LW $r2,0($r1)LW $r6,4($r1)MUL $r12,$r10,$r1LW $r20,8($r1)ADD $r8,$r6,$r1ADD $r16,$r12,$r1ADD $r4,$r0,$r2MUL $r22,$r20,$r14ADD $r18,$r16,$r1SW $r4,0($r1)SW $r18,16($r1)TEQ $r0,$r0.dataA:.word 4,6,8（7）载入after-schedule.asm；（8）执行该程序，观察程序在流水线中的执行情况，记录程序执行的总时钟周期数；程序的总时钟周期数为19，总延迟周期数为3，其中RAW冲突的周期数为2。
（9）根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。
论述指令调度对于提高CPU性能的作用。
调度前的数据冲突RAW为16个周期，调度之后的数据冲突RAW为2个周期，调度前停顿占51.515%，调度之后停顿占15.789%。
指令调度大大提高了CPU的性能。
5. 用延迟分支减少分支指令对性能的影响。
（1）启动MIPSsim；（2）载入branch.asm；（3）关闭延迟分支功能。
这是通过在“配置”菜单中去选“延迟分支”来实现的；（4）执行该程序，观察并记录发生分支延迟的时刻，保存下其时钟周期图（可用拷屏的方法）；第18周期，为分支延迟。
第33周期，为分支延迟。
（5）记录执行该程序所花的总时钟周期数；执行该程序所花的总时钟周期数为38。
（6）假设延迟槽为一个，对branch.asm进行指令调度，然后存到delayed-branch.asm中；进行指令调度之后的代码如下：.textmain:ADDI $r2,$r0,1024ADD $r3,$r0,$r0ADDI $r4,$r0,8loop:LW $r1,0($r2)ADDI $r1,$r1,1ADDI $r3,$r3,4SUB $r5,$r4,$r3BGTZ $r5,loopSW $r1,0($r2)ADD $r7,$r0,$r6TEQ $r0,$r0（7）载入delayed-branch.asm；（8）打开延迟分支功能；（9）执行该程序，观察其时钟周期图，保存下其时钟周期图；我们看到，在执行BGTZ的ID段的时候，读取并执行了延迟槽之中的SW指令，而不是等待。