mips中为了减少停顿 采用的技术
实验一 流水线及流水线中的冲突
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。
7_1 MIPS CPU概述(CP0和MIPS CPU中断机制)
7.1 MIPS CPU概述27.1.4 MIPS CPU中断机制●在MIPS体系结构中，最多支持4个协处理器(Co-Processor)。
其中，协处理器CP0是体系结构中必须实现的。
MMU、异常处理、乘除法等功能，都依赖于协处理器CP0来实现。
●MIPS的CP0包含32个寄存器。
本课程仅讨论常用的一些寄存器，如表7.1.2所示。
7.1.3 CP0表7.1.2CP0常用寄存器寄存器寄存器功能Register 0Index，作为MMU的索引用。
Register 10EntryHi，这个寄存器同EntryLo0/1一样，用于MMU中。
Register 11Compare，配合Count使用。
当Compare和Count的值相等的时候，会☐Status●这个寄存器标识了处理器的状态。
其中，中断控制的8个IM位和设定处理器大小端的RE位。
8个IM位，分别可以控制8个硬件中断源。
RE位这个Bit可以让CPU在大端（Big Endian）和小端（Little Endian）之间切换。
☐Cause●在处理器异常发生时，这个寄存器标识出了异常的原因，如图7.1.2所示。
其中，最重要的是从Bit2到Bit6，5个Bit的Excetion Code位。
它们标识出了引起异常的原因。
具体数值代表的异常类型。
☐EPC●这个寄存器的作用很简单，就是保存异常发生时的指令地址。
从这个地方可以找到异常发生的指令，再结合BadVAddr, sp, ra等寄存器，就可以推导出异常时的程序调用关系，从而定位问题的根因。
☐WatchLo/WatchHi●这一对寄存器可以用来设定“内存硬件断点”，也就是对指定点的内存进行监测。
当访问的内存地址和这两个寄存器中地址一致时，会发生一个异常。
●mfc0 rt, rd将CP0中的rd寄存器内容传输到rt通用寄存器；●mtc0 rt, rd将rt通用寄存器中内容传输到CP0中寄存器rd；●mfhi/mflo rt将CP0的hi/lo寄存器内容传输到rt通用寄存器中；●mthi/mtlo rt 将rt通用寄存器内容传输到CP0的hi/lo寄存器中；CP0主要操作●MIPS体系结构是一个无互锁，高度流水的五级pipeline架构，这就意味着，前一条指令如果尚未执行完，后一条指令有可能已经进入了取指令/译码阶段。
mips机设计原则
mips机设计原则
MIPS 机（MIPS Machine）是一种基于精简指令集（RISC）的计算机体系结构，它具有以下设计原则：
1. 简化指令集：MIPS 指令集的设计目标是保持简单性和高效性。
它只包含了一些基本的指令，如加载、存储、算术运算、逻辑运算和跳转等，从而减少了指令的数量和复杂度。
2. 固定长度指令：MIPS 指令集采用了固定长度的指令格式，通常为 32 位。
这种固定长度的指令格式有助于简化指令的解码和执行，提高了处理器的性能。
3. Load/Store 结构：MIPS 采用了 Load/Store 结构，即只有加载（Load）和存储（Store）指令可以访问内存。
其他指令只能操作寄存器，这有助于提高指令的执行速度。
4. 寄存器窗口：MIPS 架构使用了寄存器窗口（Register Window）的技术。
寄存器窗口允许程序员在一个时间段内访问大量的寄存器，而无需显式地保存和恢复寄存器。
5. 流水线设计：MIPS 处理器采用了流水线（Pipeline）的设计原则，将指令的执行过程分为多个阶段，从而提高了指令的并行执行能力。
6. 高效的编译器支持：MIPS 架构旨在为编译器提供高效的支持。
编译器可以利用 MIPS 的特性进行优化，生成高效的机器代码。
7. 可扩展性：MIPS 架构具有良好的可扩展性，可以通过增加更多的寄存器和指令来扩展其功能，以满足不同应用的需求。
这些设计原则使得 MIPS 机在性能、功耗和面积等方面具有优势，并且在嵌入式系统、网络设备和游戏机等领域得到了广泛的应用。
系统结构名词解释（3）
系统结构名词解释（3）系统结构名词解释结构冲突：因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突。
数据冲突：当指令在流水线中重叠执行时，因需要用到前面指令的执行结果而发生的冲突。
控制冲突：流水线遇到分支指令或其它会改变PC值的指令所引起的冲突。
定向：用来解决写后读冲突的。
在发生写后读相关的情况下，在计算结果尚未出来之前，后面等待使用该结果的指令并不见得是马上就要用该结果。
如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停顿。
写后读冲突：考虑两条指令i和j，且i在j之前进入流水线，指令j用到指令i的计算结果，而且在i将结果写入寄存器之前就去读该寄存器，因而得到的是旧值。
读后写冲突：考虑两条指令i和j，且i在j之前进入流水线，指令j的目的寄存器和指令i的源操作数寄存器相同，而且j在i读取该寄存器之前就先对它进行了写操作，导致i读到的值是错误的。
写后写冲突：考虑两条指令i和j，且i在j之前进入流水线，，指令j和指令i的结果单元（寄存器或存储器单元）相同，而且j在i写入之前就先对该单元进行了写入操作，从而导致写入顺序错误。
这时在结果单元中留下的是i写入的值，而不是j写入的。
链接技术：具有先写后读相关的两条指令，在不出现功能部件冲突和Vi冲突的情况下，可以把功能部件链接起来进行流水处理，以达到加快执行的目的。
分段开采：当向量的长度大于向量寄存器的长度时，必须把长向量分成长度固定的段，然后循环分段处理，每一次循环只处理一个向量段。
半性能向量长度：向量处理机的性能为其最大性能的一半时所需的向量长度。
向量长度临界值：向量流水方式的处理速度优于标量串行方式的处理速度时所需的向量长度的最小值。
4.1解释下列术语指令级并行：简称ILP。
是指指令之间存在的一种并行性，利用它，计算机可以并行执行两条或两条以上的指令。
指令调度：通过在编译时让编译器重新组织指令顺序或通过硬件在执行时调整指令顺序来消除冲突。
stanford_university_mips_组织架构_解释说明
stanford university mips 组织架构解释说明1. 引言1.1 概述引言部分将介绍本文的主题——Stanford University MIPS组织架构。
MIPS （Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）指令集架构是一种经典的RISC（Reduced Instruction Set Computer）体系结构，由斯坦福大学开发和推广。
本文将详细解释MIPS组织架构的概念和原理，并深入讨论其指令集、寄存器、流水线技术以及优化策略。
1.2 文章结构为了更好地说明MIPS组织架构，本文将按照以下结构展开讨论：- 第2部分将简要介绍MIPS组织架构的概述，包括计算机体系结构的发展历程以及MIPS架构的特点。
- 第3部分将着重介绍MIPS指令集和寄存器，包括概述、寄存器结构和作用，以及指令格式和编码规则。
- 第4部分将深入探讨MIPS流水线技术及其优化策略，包括流水线基本概念和原理、MIPS流水线结构以及各个阶段功能介绍，以及相关问题和优化策略的讨论。
- 最后，第5部分将给出本文的结论和总结。
1.3 目的本文的目的是通过对Stanford University MIPS组织架构的详细解释，让读者了解MIPS体系结构及其特点，并探究其中涉及的指令集、寄存器、流水线技术以及优化策略。
通过文章的阅读，读者将能够更好地理解MIPS组织架构并在计算机体系结构领域有所提升。
我们希望这篇长文能够为读者提供一个全面而清晰的指南，进一步推动计算机科学领域的发展与创新。
2. MIPS组织架构:2.1 概述:MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种经典的RISC（Reduced Instruction Set Computer）微处理器架构。
它于1981年由斯坦福大学开发，旨在设计简单、高效的计算机体系结构。
MIPS架构
特定应用扩展（Application Specific Extension，ASE），可提升特定类型应用的性能，其包括： 业界标准MIPS32®和 MIPS64®架构的MIPS® DSP ASE信号处理扩展，能够提升客户SoC的媒体性能。 SmartMIPS® ASE，可在智能卡及其它安全数据应用中实现前所未有的安全性。 MIPS16e™代码压缩 ASE，能减少多达40%的存储器使用量。 MIPS-3D® ASE，可在数字娱乐和多媒体产品中实现高性能三维图像处理的一种具成本效益的解决方案。
发展历史
发展历史
1981年，斯坦福大学教授约翰·轩尼诗领导他的团队，实作出第一个MIPS架构的处理器。他们原始的想法 是通过指令管线化来增加CPU运算的速度。
1984年，约翰·轩尼诗教授离开斯坦福大学，创立MIPS科技公司。于1985年，设计出R2000芯片，1988年， 将其改进为R3000芯片。
MIPS64架构基于一种固定长度的定期编码指令集，并采用导入/存储（load/store）数据模型。经改进，这 种架构可支持高级语言的优化执行。其算术和逻辑运算采用三个操作数的形式，允许编译器优化复杂的表达式。 此外，它还带有32个通用寄存器，让编译器能够通过保持对寄存器内数据的频繁存取进一步优化代码的生成性能。
MIPS32架构基于一种固定长度的定期编码指令集，并采用导入/存储（load/store）数据模型。经改进，这 种架构可支持高级语言的优化执行。其算术和逻辑运算采用三个操作数的形式，允许编译器优化复杂的表达式。 此外，它还带有32个通用寄存器，让编译器能够通过保持对寄存器内数据的频繁存取进一步优化代码的生成性能。
MIPS芯片架构说明
MIPS芯片架构说明MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）即无竞争流水线微处理器，是一种精简指令集（RISC）的芯片架构。
MIPS 架构由美国斯坦福大学的约翰·亨尼西等人于1981年提出，并于1984年成立MIPS公司进行商业化开发和推广。
MIPS架构在计算机领域有着广泛的应用，尤其在网络设备、数字视频处理、嵌入式系统等领域具有重要地位。
MIPS架构的设计理念是简化指令集，提高流水线效率，以提供高性能和高效能的微处理器。
MIPS指令集体系结构的特征包括：固定长度的32位指令；寄存器-寻址模式；延迟槽；无跳转偏移；定长延迟分支；乱序执行指令流水线；五级流水线等。
MIPS指令集是一种精简的指令集，通过减少指令种类、规定固定的指令格式和长度，以及简化指令的操作模式，达到提高指令执行效率的目的。
MIPS指令集包括加载存储指令，算术逻辑运算指令，分支和跳转指令，协处理器指令等。
MIPS架构采用寄存器-寻址模式来访问数据。
寄存器-寻址模式是指通过指定寄存器的编号来操作数据，而不是通过指定内存地址。
MIPS架构提供了32个通用寄存器，用于存储数据和中间结果，通过对寄存器的操作来实现数据的传输和计算。
这种设计简化了指令的编码和执行，提高了指令执行的效率。
MIPS架构中的延迟槽是指在条件分支指令后的一条或多条指令，不管条件是否满足都会执行。
延迟槽的设计可以充分利用流水线的性能，但需要程序员进行特殊的处理，以确保延迟槽的指令在分支满足或不满足时都能正确执行。
MIPS架构的指令集中，分支和跳转指令的目标地址是相对于当前指令的偏移地址。
相对地址的设计简化了指令的编码和目标地址的计算，提高了指令的执行效率。
MIPS架构中的乱序执行指令流水线是指将多条指令按照最大并行度进行重排序，在这个过程中可能会引入数据依赖、资源竞争等问题。
为了解决这些问题，MIPS架构采取了一系列的措施，如指令重排序、数据前推、动态分支预测等，以提高指令的并行度和流水线的效率。
5.5 MIPS指令概述
计算机组成原理第五章指令系统5.5 MIPS指令概述1MIPS指令概述■MIPS (Microprocessor without Intellocked Pipleline Stages)是80年代初期由斯坦福大学Hennessy教授领导的研究小组研制成功；■属于精简指令集计算机RISC(Reduced Instruction Set Computer)；■MIPS指令集有MIPS I，MIPS II，MIPS III，MIPS IV，MIPS V，MIPS32，和MIPS64多个版本；■早期主要用于嵌入式系统，如Windows CE的设备，路由器，家用网关和视频游戏机，现在已经在PC机、服务器中得到广泛应用1MIPS指令概述■MIPS指令集有以下特点：♦简单的Load/Store结构♦易于流水线CPU设计♦易于编译器开发♦MIPS指令的寻址方式非常简单，每条指令的操作也非常简单2MIPS 指令格式概述000000R s R t shamtR d 6bits funct5bits 5bits 5bits 5bits 6bitsR 型指令OP R s R t 6bits 立即数5bits 5bits16bits I 型指令OP 6bits 立即数26bits J 型指令■只有三种指令格式♦Rs,Rt 分别为第一、二源操作数；Rd 为目标操作数；♦双目、Load/Store: Rs 和立即数是源操作数，Rt 为目标操作数；♦条件转移: Rs,Rt 均为源操作数；♦26位立即数作为跳转目标地址的部分地址寄存器名寄存器编号用途说明$s00保存固定的常数0$at 1汇编器的临时变量$v0～$v12～3子函数调用返回结果$a0～$a34～7函数调用参数1～3$t0～$t78～15临时变量，函数调用时不需要保存和恢复$s0～$s716～23函数调用时需要保存和恢复的寄存器变量$t8～$t924～25临时变量，函数调用时不需要保存和恢复$k0～$k126～27中断、异常处理程序使用$gp28全局指针变量(Global Pointer)$sp 29堆栈指针变量(Stack Pointer)$fp 30帧指针变量(Frame Pointer)$ra31返回地址(Return Address)3MIPS 寄存器♦还有32个32位单精度浮点寄存器f 0-f 31♦还有2个32位乘、商寄存器H i 和L 0；乘法法分别存放64位乘积的高、低32位；除法时分别存放余数和商。
3.3 流水线相关冲突及解决办法_v3.0
MEM/WB
NPC
PC
指令 存储器
北京信息科技大学
ADD
cond
IR[rs] 用 IR[rt] IR 存
MEM/WB.IR
通 寄 器 组 B
Imm
A
ALUo
ALU
数据 存储器
M U X 4
LMD ALUo
16
符号 32 位 扩展
B
IR
IR
IR
流水实现的数据通路
计算机体系结构 简单处理分支指令：分支成功的情况
北京信息科技大学
计算机体系结构
3.4 流水线的冲突
带来的几个问题：
导致错误的执行结果。 流水线可能会出现停顿，从而降低流水线的 效率和实际的加速比。 我们约定
当一条指令被暂停时，在该暂停指令之后流出的所 有指令都要被暂停，而在该暂停指令之前流出的指令则 继续进行（否则就永远无法消除冲突）。
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
北京信息科技大学
计算机体系结构
3.4 流水线的冲突
流水线冲突是指对于具体的流水线来说，由于相关 的存在，使得指令流中的下一条指令不能在指定的时钟 周期执行。 流水线冲突有3种类型： 结构冲突：因硬件资源满足不了指令重叠执行的 要求而发生的冲突。 数据冲突：当指令在流水线中重叠执行时，因需 要用到前面指令的执行结果而发生的冲突。 控制冲突：流水线遇到分支指令和其他会改变PC 值的指令所引起的冲突。
计算机组成与结构中央控制器
时序控制
根据指令周期的不同阶段，产生相应 的控制信号，协调各部件的工作。
微操作信号发生器
微操作信号
控制计算机各部件执行微操作的 信号。
微程序控制
通过微指令序列控制各部件完成微 操作的方式。
微指令格式
包括操作控制字段、下址字段等部 分，用于表示微操作和执行顺序。
中断系统
01
02
03
中断类型
包括外部中断、内部中断 等，用于处理异常情况或 特殊请求。
功能
中央控制器具有指令控制、操作控制、时间控制和数据处理 等功能。它负责从存储器中取出指令，对指令进行译码，并 根据指令的要求，按时间顺序，向各部件发出相应的控制信 号，保证其正确、有序地完成各种操作。
发展历程及现状
发展历程
中央控制器经历了从电子管、晶体管、集成电路到超大规模集成电路等多个发 展阶段。随着技术的不断进步，中央控制器的性能不断提高，功耗不断降低。
02
中央控制器组成与原理
指令系统
指令格式
包括操作码、地址码等部分，用于表示不同的操作和功能。
寻址方式
确定操作数地址的方法，如立即寻址、直接寻址、间接寻址等。
指令周期
完成一条指令所需的全部时间，包括取指、译码、执行等阶段。
时序发生器
时钟信号
延时控制
提供计算机各部件协同工作的基准信 号。
确保数据在传输和处理过程中的稳定 性和准确性。
计算机组成与结构中央控制 器
• 中央控制器概述 • 中央控制器组成与原理 • 典型中央控制器分析 央控制器性能评价与测试方法 • 计算机组成与结构发展趋势及挑战
01
中央控制器概述
定义与功能
定义
中央控制器（Central Processing Unit，CPU）是计算机的核 心部件，负责执行程序中的指令，控制计算机各部件协调工作。
(MIPS体系结构剖析,编程与实践)第4章 MIPS 异常和中断处理文库
(MIPS体系结构剖析,编程与实践)第4章 MIPS 异常和中断处理文库.txt小时候觉得父亲不简单，后来觉得自己不简单，再后来觉得自己孩子不简单。
越是想知道自己是不是忘记的时候，反而记得越清楚。
第四章 MIPS 异常和中断处理MIPS 异常和中断处理(Exception and Interrupt handling)任何一个CPU都要提供一个详细的异常和中断处理机制。
一个软件系统，如操作系统，就是一个时序逻辑系统，通过时钟，外部事件来驱动整个预先定义好的逻辑行为。
这也是为什么当写一个操作系统时如何定义时间的计算是非常重要的原因。
大家都非常清楚UNIX提供了一整套系统调用(System Call)。
系统调用其实就是一段EXCEPTION处理程序。
我们可能要问：为什么CPU要提供Excpetion 和 Interrupt Handling呢？*处理illegal behavior, 例如，TLB Fault, or, we say, the Page fault; Cache Error;* Provide an approach for accessing priviledged resources, for example, CP0 registers. As we know, for user level tasks/processes, they are runningwith the User Mode priviledge and are prohibilited to directly control CPO. CPU need provide a mechanism for them to trap to kernel mode and then safely manipulate resources that are only availablewhen CPU runs in kernel mode.* Provide handling for external/internal interrupts. For instance, the timer interrupts and watch dog exceptions. Those two interrupt/exceptions are very important for an embedded system applicances.Now let's get back to how MIPS supports its exception and interrupt handling.For simplicty, all information below will be based on R7K CPU, which is derived from the R4k family.* The first thing for understanding MIPS exception handling is: MIPS adopts **Precise Exceptions** mechanisms. What that means? Here is the explaination from the book of "See MIPS Run": "In a precise-exception CPU, on any exception we get pointed at one instruction(the exception victim). All instructions preceding the exception victim in executionsequence are complete; any work done on the victim and on any subsequent instructions (BNN NOTE: pipeline effects) has no side effects that the software need worry about. The software that handles exceptions can ignore all the timing effects of the CPU's implementations"上面的意思其实很简单：在发生EXCEPTION之前的一切计算行为会**FINISH**。
[IT计算机]MIPSLinux异常中断处理
![[IT计算机]MIPSLinux异常中断处理](https://img.taocdn.com/s3/m/8b44262a30126edb6f1aff00bed5b9f3f90f7235.png)
MIPS Linux异常中断代码分析CurrentVersion: 0.16Date: 2007-04-12Author:DajieTan<********************>版本历史版本状态作 者参与者起止日期备注0.10Dajie Tan07-04-12完成草稿0.12Dajie Tan07-04-19完善A 0.14Dajie Tan07-08-17完善B.1 0.15Dajie Tan07-08-19完善B.2 0.16Dajie Tan07-09-10完善B.3本文拟以龙芯2E （兼容MIPS III）为例，对内核的异常、中断系统作一个框架式的描述，将结合2.6.18的代码来说明。
A. 概述龙芯2E在高优先级异常出现时，在设置了某些寄存器后，会根据异常类型跳转到相应的固定地址处（高优先级异常服务入口），操作系统会将相应的异常处理程序，置于这些地址处。
龙芯2E的高优先级异常有：冷启动、热重启、非屏蔽中断，TLB重填（32位模式），xTLB重填（64位模式），cache错误，其他异常。
龙芯2E之高优先级异常入口地址有以下五个：Table A.1 优先级异常入口当龙芯正常运行时，STATUS 寄存器之BEV位为0 ，0xFFFFFFFF 80000000地址处不经TLB映射、但缓存；当龙芯启动时，STATUS 寄存器之BEV位为1，0xFFFF FFFF BFC0 0200 地址处龙芯不缓存、不经TLB映射。
MIPS 下TLB、Cache都要OS参与管理，在其启动时OS尚未接管系统，这个时候不采用TLB、Cache机制是很重要的。
注意，冷启动、热重启、非屏蔽中断的入口地址始终位于0xFFFF FFFF BFC0 0000由此可见龙芯2E启动时（冷启动异常或者热重启异常），执行的第一条指令是位于地址0xFFFF FFFF BFC0 0000 处的，实际上龙芯电脑上所用之BOOTLOADER(PMON)的第一条指令就映射在地址空间的0xFFFF FFFF BFC0 0000处。
完整word版,实验五 指令调度和延迟分支
实验5 指令调度和延迟分支一.实验目的（1）加深对指令调度技术的理解。
（2）加深对延迟分支技术的理解。
（3）熟练掌握用指令调度技术解决流水线中的数据冲突的方法。
（4）进一步理解指令调度技术对CPU性能的改进。
（5）进一步理解延迟分支技术对CPU性能的改进。
二.实验内容和步骤:(1)、启动MIPSsim。
(2)、根据前面的相关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。
指令流水线有取指(IF)、译码(ID)、执行(EX)、访存(MEM)、写回寄存器堆(WB)5个过程段，共有7条指令连续输入此流水线IF段(取指)：取指令，控制器必须具备能自动地从存储器中取出指令的功能ID段（译码）：指令译码、读寄存器EX段（执行）:执行、访存有效地址字段MEM段（访存）:存储器访问WB（写回寄存器堆）:结果写回寄存器在该窗口中，每一个矩形方块代表一个流水段，它们用不同的颜色填充。
在该窗口的左侧是IF到WB段，其右边为浮点部件。
浮点部件分有浮点加法部件（fadd）、浮点乘法部件（fmul）和浮点除法部件（fdiv）三种。
在菜单“配置” “常规配置”中修改浮点部件个数，可看到该窗口中对应类型的浮点部件个数会发生相应的变化。
(3)、选择“配置”->“流水方式”选项，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数据冲突。
1）启动MIPSsim。
2）加载schedule.s。
3）关闭定向功能。
4）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。
调度前：RAW发生的冲突周期数：2、3、5、6、8、9、11、12、15、16、18、19、。
mips的概念(一)
mips的概念(一)MIPS概念及相关内容概念介绍MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipelined Stages）是一种基于精简指令集（RISC）架构的计算机处理器架构。
它最初于1981年由斯坦福大学的约翰·亨内西（John L. Hennessy）和他的学生David A. Patterson提出，目的是提供一种高效且易于实现的处理器设计。
MIPS指令集被广泛应用于多种领域，包括个人电脑、嵌入式系统、游戏控制台和网络设备等。
它的设计主要关注于指令的简洁性和性能优化，以提供高效的指令执行速度。
MIPS架构特点MIPS架构具有以下特点：•精简指令集：MIPS指令集采用精简指令集架构（RISC），指令集中只包含少量简单的指令，使得指令执行速度更快，同时简化了处理器的设计和实现。
•32位寄存器：MIPS架构使用32位通用寄存器，共有32个。
这种设计有助于提高指令的执行效率，同时减少指令的数量。
•流水线架构：MIPS处理器采用流水线架构，将指令执行分为多个阶段，使得多条指令可以同时执行，提高了处理器的吞吐量。
•延迟槽：MIPS指令集中的分支指令具有延迟槽的特性，即指令执行后的下一条指令也会被执行。
这种设计可以提高分支指令的执行效率，减少分支带来的流水线停顿。
•软件中断：MIPS架构支持软件中断指令，允许软件在需要的时候主动触发中断，以处理异常或者特殊情况。
•协处理器支持：MIPS架构支持协处理器（Coprocessor），可以扩展处理器的功能，例如浮点运算、向量处理等。
MIPS应用领域由于MIPS架构的高效性和灵活性，它被广泛应用于多个领域，包括但不限于：•个人电脑：MIPS处理器曾经被用于个人电脑，例如SGI Indy工作站和NEC的MIPS系列处理器。
•嵌入式系统：MIPS架构在嵌入式系统中具有广泛的应用，例如路由器、物联网设备、智能家居等。
mips的指令集
mips的指令集MIPS指令集是一种常见的计算机指令集架构，广泛应用于大多数工作站、服务器和嵌入式系统中。
本文将介绍MIPS指令集的基本特点、主要指令和应用领域。
一、MIPS指令集的基本特点MIPS指令集采用精简指令集计算机（RISC）的设计理念，以简洁、高效的指令集为特点。
其基本特点包括：1. 定长指令格式：MIPS指令集采用定长指令格式，每条指令占据32位，简化了指令解码过程，提高了指令的执行速度。
2. 加载/存储架构：MIPS指令集采用了加载/存储架构，只有专门的加载和存储指令可以访问内存，其他指令只能对寄存器进行操作，这样可以减少存储器的访问时间，提高了指令的执行效率。
3. 三地址指令格式：MIPS指令集的大多数指令都采用三地址指令格式，即指令中包含三个操作数的寄存器地址，使得指令的操作更加灵活。
二、MIPS指令集的主要指令1. 数据传输指令MIPS指令集提供了一系列数据传输指令，包括加载指令（例如lw、lb等）和存储指令（例如sw、sb等），用于将数据从内存加载到寄存器或将数据从寄存器存储到内存中。
2. 算术逻辑指令MIPS指令集提供了一系列算术逻辑指令，包括加法指令（例如add、addi等）、减法指令（例如sub、subi等）、乘法指令（例如mul、muli等）和逻辑运算指令（例如and、or等），用于进行基本的算术和逻辑运算。
3. 控制指令MIPS指令集提供了一系列控制指令，包括无条件跳转指令（例如j、jr等）、条件跳转指令（例如beq、bne等）和函数调用指令（例如jal、jalr等），用于实现程序的控制流程。
4. 浮点运算指令MIPS指令集还提供了一系列浮点运算指令，包括浮点加法指令（例如add.s）、浮点乘法指令（例如mul.s）和浮点比较指令（例如c.eq.s），用于进行浮点数的运算和比较。
三、MIPS指令集的应用领域由于MIPS指令集具有精简、高效的特点，因此在许多领域得到了广泛的应用，包括：1. 嵌入式系统：MIPS指令集在嵌入式系统中应用广泛，例如智能手机、路由器、数字电视等，这些系统对指令的执行效率和功耗有较高的要求，MIPS指令集正好满足了这些需求。
高等计算机体系结构期末考试试卷
高等计算机体系结构期末考试 (卷面总分150分)1简答题 [100分](1)ISA [5分]ISA是什么的缩写？请简要说明什么是ISA。
答：什么是微体系结构？ISA和微体系结构的区别是什么？答：(2)冯诺依曼结构 [5 分]冯诺依曼结构有哪两个最基本的特征？答：冯诺依曼结构为什么要把程序和数据都存在一个“大”的存储空间中，它的最核心目的是什么？答：(3)流水线 [3 分]保持处理器的流水线充满有用的指令对于获得高性能非常重要。
流水线不可能总是保持充满的三个根本原因是什么？答：(4) 异常 vs. 中断 [6 分]我们说当处理器检测到异常就需要处理，而中断可以在“方便的时候”处理。
为什么异常在检测到之后就要处理?答：说在“方便的时候”处理中断是什么意思?答：为什么很多中断可以在“方便的时候”处理?答：(5) 分支预测 [6 分]分支目标缓冲（BTB）的目的是什么?答：假设一台机器的流水线有10个流水段流水线，分支的解决在第8个流水段。
同时，假设20%的指令是分支。
对于这台机器，每个分支预测错误时会浪费多少条指令的工作?答：(6) 乱序 vs. 数据流 [7分]在乱序执行处理器中，什么时候会发生取指令的动作?答：在数据流处理器中，什么时候会发生取指令的动作?答：在乱序执行处理器中有一个结构叫做保留站，请问保留站本质上是解决什么问题的？答：通常，在数据流机器中有一个结构叫做“matching store"，与乱序执行处理器中的保留站功能类似，你能不能猜一下“matching store"是用来做什么的？☺答：(7) 减少停顿 [4分]编译器能够重排序指令以减少流水线处理器的停顿。
编译器做这样的优化目的是找到独立的指令插入相关的指令之间，使得当消费者指令进入流水线时，生产者指令已经生产出结果。
控制相关会阻碍编译器重排序指令能力的发挥，为什么会这样？答：(8) DRAM [5 分]DRAM预充电(precharge)命令的目的是什么?答：DRAM刷新的目的是什么？通常DRAM刷新有哪三种基本的方法？答：(9) TLB [4分]TLB 缓存的是什么内容?答：TLB缓存的这些信息在什么位置？答：(10) 互连网络[6分]互连网络的路径多样性概念是指从源节点到目的节点可以存在许多不同路径的现象。
指令集的峰值mips
指令集的峰值mipsMIPS（Microprocessor without Interlocked Pipelined Stages）是一种经典的指令集架构（ISA），被广泛应用于计算机中央处理器（CPU）的设计和开发。
它是一种精简指令集（RISC）架构，旨在通过简化指令集并提高指令执行速度来提高计算机的性能。
本文将深入探讨MIPS指令集的峰值，以及它在计算机体系结构中的重要性。
MIPS指令集的峰值是指在特定条件下，CPU能够执行的最大指令数量。
它代表了计算机系统的性能上限，通过提高峰值，可以提高计算机的运行速度和效率。
MIPS指令集的峰值与CPU的硬件设计和架构密切相关，包括流水线深度、缓存大小、指令预取等。
在MIPS指令集中，有各种各样的指令可以执行不同的操作，如算术运算、逻辑运算、数据传输等。
这些指令被编码成二进制形式，并存储在计算机的内存中。
当CPU执行程序时，它从内存中读取指令，并按照指令的操作码和操作数执行相应的操作。
MIPS指令集的峰值是指CPU在特定时间内能够执行的最大指令数量。
为了提高MIPS指令集的峰值，计算机设计师采取了一系列的优化措施。
首先，他们设计了高效的流水线结构，将指令的执行分为多个阶段，并在每个阶段并行执行不同的指令。
这样可以最大限度地提高指令的执行速度。
其次，他们增加了各种高速缓存，用于存储最常用的指令和数据，以减少内存访问的延迟。
此外，他们还设计了各种预测技术，如分支预测和指令预取，以尽可能减少流水线的停顿和延迟。
MIPS指令集的峰值对计算机的性能影响巨大。
它决定了计算机能够处理的最大工作负载和数据吞吐量。
例如，在科学计算和图形处理等需要大量计算的应用程序中，高峰值的MIPS指令集可以显著提高计算机的运算速度和效率。
另一方面，对于一些简单的任务，峰值较低的MIPS指令集可能足够满足需求。
除了峰值，还有其他指标可以衡量MIPS指令集的性能，如平均指令执行时间（Average Instruction Execution Time，AIET）和指令吞吐量（Instructions Per Second，IPS）。
计算机组成原理mips
计算机组成原理mips计算机组成原理是计算机科学的一个重要方向，而MIPS指令集是一种常用的指令集架构。
下面将从MIPS的基本概念、MIPS内存模型、MIPS指令格式、MIPS异常处理和MIPS流水线这些方面对计算机组成原理MIPS进行探讨。
一、MIPS的基本概念MIPS是一种RISC指令集架构，RISC是指简化指令集计算机。
MIPS指令集由两种类型的指令组成：R指令和I指令。
其中，R指令用于执行算术和逻辑操作，而I指令用于执行数据传输、分支和分支跳转操作。
二、MIPS内存模型MIPS系统中的内存是以字作为单位进行管理的，即每个字是32位二进制数。
MIPS系统中的内存地址是32位的，可以表示2的32次方个内存地址，也就是4GB。
三、MIPS指令格式MIPS指令格式包括：操作码、源寄存器、目的寄存器、立即数和跳转地址。
操作码用于指定指令类型，源寄存器和目的寄存器用于指定操作数，立即数用于指定一个常数，跳转地址用于指定程序跳转的目标地址。
四、MIPS异常处理在MIPS系统中，异常是指计算机遇到无法处理的情况，例如除以零、访问无效地址等。
MIPS使用异常处理机制来处理异常，即遇到异常时，会将当前的程序状态保存在内存中，然后跳到异常处理程序中进行处理。
五、MIPS流水线MIPS采用了流水线技术来提高处理器的执行效率。
流水线是让处理器在同一个时钟周期内同时执行多条指令，从而提高了处理器的吞吐量。
MIPS采用了五级流水线结构，分别是取指令、指令译码、执行、访存和写回五个阶段。
以上是对计算机组成原理MIPS的简单介绍。
MIPS指令集具有指令精简、执行速度快等特点，因此在数字信号处理、计算机视觉、机器人控制等领域中得到了广泛应用。
对于计算机科学专业的学生来说，学习和掌握MIPS指令集是非常重要的，对于以后的职业发展也有很大的帮助。
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mips中为了减少停顿采用的技术
MIPS是一种常用的指令集架构，它采用了一系列的技术来优化指令的执行过程，从而减少停顿，提高程序的执行效率。
本文将介绍MIPS中为了减少停顿所采用的一些技术。
一、流水线技术
流水线技术是指将指令的执行过程分为若干个阶段，然后将不同指令的不同阶段交错在一起，从而使得多条指令可以同时执行，提高了程序的执行效率。
MIPS中采用了五级流水线技术，将指令的执行过程分为取指阶段、译码阶段、执行阶段、访存阶段和写回阶段。
这样，每条指令在执行时都可以同时进行不同的阶段，从而提高了程序的执行效率。
二、分支预测技术
分支指令是指在程序执行过程中需要根据条件进行跳转的指令。
在MIPS中，分支指令的执行会影响到流水线的执行顺序，从而导致停顿的发生。
为了减少这种停顿，MIPS采用了分支预测技术。
分支预测技术是指根据历史执行情况，对分支指令的跳转方向进行预测。
如果预测正确，程序可以继续执行；如果预测错误，程序会回滚到分支指令的位置重新执行。
通过这种技术，可以减少分支指令带来的停顿，提高程序的执行效率。
三、乱序执行技术
乱序执行技术是指在流水线执行过程中，根据指令之间的依赖关系，动态调整指令的执行顺序，从而减少停顿的发生。
MIPS中采用
了乱序执行技术，将指令的执行顺序动态调整，使得不同指令之间的依赖关系得到了更好的处理。
通过这种技术，可以充分利用流水线的并行性，提高程序的执行效率。
四、多发射技术
多发射技术是指在一个时钟周期内同时发射多条指令，从而提高程序的执行效率。
MIPS中采用了多发射技术，将流水线分为多个单元，并且每个单元都可以发射一条指令。
通过这种技术，可以使得多条指令可以同时执行，提高程序的执行效率。
五、数据前推技术
数据前推技术是指在指令执行过程中，将计算结果直接传递给需要使用这个结果的指令，从而减少停顿的发生。
MIPS中采用了数据前推技术，将计算结果直接传递给需要使用这个结果的指令，从而避免了停顿的发生，提高了程序的执行效率。
六、预取技术
预取技术是指在程序执行过程中，提前将需要使用的数据从内存中读取到缓存中，从而减少停顿的发生。
MIPS中采用了预取技术，通过预取器将需要使用的数据提前读取到缓存中，从而避免了停顿的发生，提高了程序的执行效率。
总之，MIPS中为了减少停顿采用了多种技术，包括流水线技术、分支预测技术、乱序执行技术、多发射技术、数据前推技术和预取技术。
这些技术的应用使得指令的执行过程更加高效，从而提高了程序的执行效率。