实验2 流水线与流水线中的冲突_实验报告

计算机系统结构实验报告

班级实验日期实验成绩姓名学号

实验名称实验2 流水线与流水线中的冲突

实验目的、要求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。

实验内容、步骤及结果2.1观察程序在流水线中的执行情况（载入piplelines.s）

1、执行到第13个时钟周期，各段分别在处理的指令，画出这这时的时钟周期图

2、这时个流水寄存器中的内容为

IF/ID.IR=000000008CC4003C

IF/ID.NPC=0000000000000030

ID/EX.A=0000000000000000

ID/EX.B=0000000000000000

ID/EX.IMM=0000000000000019

ID/EX.IR=0000000020030019

EX/MEM.ALUOUT=0000000000000004

EX/MEM.IR=000000002021FFFF

MEM/WB.ALUOUT=0000000000000008

MEM/WB.IR=0000000020060008

MEM/WB.LMD=0000000000000000

2.2观察和分析结构冲突对CPU性能的影响（载入structure_hz.s）1、浮点加法器的个数改为1个

（1）导致结构冲突的部件加法器

（2）由结构冲突引起的停顿始终周期数35

停顿时钟周期数占总执行时钟周期数的百分比67.30769%

2、将浮点加法器的个数改为4个

（1）导致结构冲突的部件加法器

（2）由结构冲突引起的停顿始终周期数10

停顿时钟周期数占总执行时钟周期数的百分比10.52632%

3、分析结构冲突对CPU性能的影响，讨论解决结构冲突的方法

影响：结构冲突会降低CPU的利用率和吞吐率

方法：一般采用分别设置独立的指令存储器和数据存储器的防方法，或者任只设置一个存储器，但采用两个分离的Cache;指令Cache ,数据Cache

2.3观察数据冲突并用定向技术来减少停顿（载入data_hz.s）

1、关闭定向功能

（1）列出在什么时刻发生了RAW（先写后读）

分别在第3、5、8、12、16、19、24、27、31、35、38、43、46、50、54、57时钟周期（从第0周期开始计算）

（2）程序执行的总周期数65

由数据冲突引起的停顿始终周期数31

停顿时钟周期数占总执行时钟周期数的百分比47.69231%

2、打开定向功能

（1）列出在什么时刻发生了RAW（先写后读）

分别在第4、12、24、36时钟周期（从第0周期开始计算）（3）程序执行的总周期数43

由数据冲突引起的停顿始终周期数9

停顿时钟周期数占总执行时钟周期数的百分比20.93023%

（4）计算采用定向技术后的性能是原来性能的几倍

65/43=1.5116倍

总结

流水线中的冲突，是的指令流中的下一条指令不能再指定的开始周期开始执行。当发冲突时，会使流水线出现停顿，这回降低流水线的小路和实际的加速比。

流水线中执行时间最长的段称为瓶颈段，可以通过增加细分瓶颈段和重复设置瓶颈段的方法来消除瓶颈段。

定向技术有效的减少了写后读数据冲突引起的停顿，在计算结果尚未出来之前，后面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，直接送到其他指令需要他的地方，就可以减少停顿，提高流水线的效率。