计算机体系结构实验报告二

实验二结构相关
一、实验目的：
通过本实验，加深对结构相关的理解，了解结构相关对CPU性能的影响。

二、实验内容：
1. 用WinDLX模拟器运行程序structure_d.s 。

2. 通过模拟，找出存在结构相关的指令对以及导致结构相关的部件。

3. 记录由结构相关引起的暂停时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行
周期数的百分比。

4. 论述结构相关对CPU性能的影响，讨论解决结构相关的方法。

三、实验程序structure_d.s
LHI R2, (A>>16)&0xFFFF 数据相关
ADDUI R2, R2, A&0xFFFF
LHI R3, (B>>16)&0xFFFF
ADDUI R3, R3, B&0xFFFF
ADDU R4, R0, R3
loop:
LD F0, 0(R2)
LD F4, 0(R3)
ADDD F0, F0, F4 ；浮点运算，两个周期，结构相关
ADDD F2, F0, F2 ; <- A stall is found (an example of how to answer
your questions)
ADDI R2, R2, #8
ADDI R3, R3, #8
SUB R5, R4, R2
BNEZ R5, loop ；条件跳转
TRAP #0 ;; Exit <- this is a comment !!
A: .double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
B: .double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
四、实验过程
打开软件，load structure_d.s文件，进行单步运行。

经过分析，此程序一
次循环中共有五次结构相关。

（R-stall 数据相关Stall-结构相关）
1)第一个结构相关：addd f2,,f0,f2
由于前面的数据相关，导致上一条指令addd f0,f0,f4暂停在ID阶段，所以下一条指令addd f2,,f0,f2发生结构相关，导致相关的部件：译码部件。

2)第二个结构相关：ADDI R2, R2, #8，与第一个结构相关类似。

由于数据相关，
上一条指令暂停在ID阶段，所以导致下一条指令发生结构相关。

3)第三、四、五个结构相关：ADDI R2, R2, #8
ADDI R3, R3, #8
SUB R5, R4, R2
第三个：ADDI R2, R2, #8
访存冲突，由于上一条指令处在访存阶段，所以此条指令需要暂停，为存储器结构相关冲突。

第四个结构相关：ADDI R3, R3, #8
与第一个和第二个相关类似，但此处为执行部件冲突的结构相关。

第五个：SUB R5, R4, R2
与第一个类似，为译码部件结构相关。

由于这三个相关在同一时钟周期发生，所以算一个。

4)计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。

由上图统计信息可知：此程序一共有139个周期，而程序一共循环10次，每次有5个结构相关，但后三个在同一时钟周期发生，一次相关暂停一个周期，所以，
暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比为：3*10/139=21.6%.
5)论述结构相关对CPU性能的影响，讨论解决结构相关的方法。

发生结构相关时，必然会导致流水线效率的降低，如果处理不当甚至会发生错误。

解决的方法主要有：
（1）流水化功能单元；（2）资源重复；（3）暂停流水线。

五、实验心得
本次实验主要是通过具体的程序实例向我们展示了流水线中的结构相关冲突。

通过本次实验，更加深刻地认识了结构相关是怎么发生的，包括流水线单步执行、每个流水段功能、流水线建立与排空、定向技术等内容有了很好的掌握；知道其运行情况，以及结构相关在此程序中导致的延迟。