A.2.1 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。

A.2.2 实验平台

实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim。

A.2.3 实验内容和步骤

首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。详见附录B。

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. 选择配置菜单中的“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）选择MIPSsim的“文件”→“载入程序”选项来加载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”→“定向”（使该项前面没有“√”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13个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是：

（解释每条指令的含义）

IF： SUB  $r5,$r4,$r3

从寄存器$r4的值中减去寄存器$r3的值，并将结果存储在寄存器$r5中  

ID： ADDI  $r3,$r3,4

 将寄存器r3的值与立即数4相加，并将结果存回寄存器r3中               

EX： ADDI  $r2,$r2,4

 将寄存器r2的值与立即数4相加，并将结果存回寄存器r2中                

MEM： SW  $r1,0($r2) 

 将寄存器$r1中的数据存储到由寄存器$r2指定的内存地址（偏移量为0）中                       

WB：                                    

画出这时的时钟周期图。（解释插入几个暂停的原因）

第6个周期ID的暂停：读后写冲突，读取r1的数据与r1的值和1相加冲突

第6个周期IF的暂停：读后写冲突，读取r1的数据与把r2的数据保存到r1冲突

第7个周期IF的暂停：写后写冲突，把r2的数据保存到r1与r1的值和1相加冲突

第9个周期ID的暂停：写后写冲突，把r2的数据保存到r1与r1的值和1相加冲突

第9个周期IF的暂停：写后写冲突，r2的值和4相加与把r2的数据保存到r1冲突

第10个周期IF的暂停：写后写冲突，r2的值和4相加与把r2的数据保存到r1冲突

6. 这时各流水寄存器中的内容为：

（解释下面几个流水寄存器的含义）

IF/ID.IR： 0x00832822 

取指阶段/指令译码阶段的指令寄存器，存放当前指令的地址

IF/ID.NPC： 0x00000024

取指阶段/指令译码阶段的下一条程序计数器，存放下一条指令的地址

ID/EX.A： 0x0000000000000000

指令译码阶段/执行阶段的第一操作数寄存器，存放从通用寄存器读出来的操作数

ID/EX.B： 0x0000000000000001

指令译码阶段/执行阶段的第二操作数寄存器，存放从通用寄存器读出来的另一个操作数

ID/EX.Imm： 0x0000000000000004

指令译码阶段/执行阶段的存放符号扩展后的立即数操作数的寄存器

ID/EX.IR： 0x20630004

指令译码阶段/执行阶段的指令寄存器，存放当前指令的地址

EX/MEM.ALUo： 0x0000000000000068

执行阶段/存储器访问阶段的存放ALU的运算结果的寄存器

EX/MEM.IR： 0x20420004

执行阶段/存储器访问阶段的指令寄存器，存放当前指令的地址

MEM/WB.LMD： 0x0000000000000000

存储器访问阶段/写回阶段的存放load指令从存储器读出的数据的寄存器

MEM/WB.ALUo： 0x0000000000000064

存储器访问阶段/写回阶段的存放ALU的运算结果的寄存器

MEM/WB.IR： 0x20420004

存储器访问阶段/写回阶段的指令寄存器，存放当前指令的地址

7. 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。（写出存在结构冲突的指令并画出流水线的时空图）

存在结构冲突的指令是：fadd

导致结构冲突的部件是：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；

总周期数52个，结构停顿周期数35个，占总执行周期数的67.30769%

（4）把浮点加法器的个数改为4个。 

（5）再次重复上述（1）～（3）的工作。（画出改进后的流水线的时空图） 

（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。

结构冲突是指在CPU的指令执行过程中，由于有多个指令需要使用同一种硬件资源，导致某些指令无法按照预期时间执行，从而影响CPU的性能表现。结构冲突对CPU性能的影响可以表现为指令的延迟执行，执行时间变长等，这些都会导致CPU的时钟周期不能充分利用，从而降低CPU的性能表现。

解决结构冲突的方法：

1.提高CPU的运算速度和带宽，这样可以提升硬件资源的处理能力，从而降低结构冲突的发生率。

2.采用超标量技术，即在CPU内部增加多个硬件执行单元，这样可以使得多条指令可以同时执行，从而避免结构冲突的发生。

3.采用指令重排技术，即在编译器层面对指令进行重排，使得需要使用同一种硬件资源的指令不会同时出现在执行流水线上，从而避免结构冲突的发生。

4.采用分支预测技术，即在CPU内部对分支指令进行预测，提前加载分支指令的执行流水线，从而避免因分支指令的延迟执行而导致的结构冲突。

8. 观察数据冲突并用定向技术来减少停顿，步骤如下：

（1）全部复位。

（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”→“定向”（使该项前面没有“√”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。（解释前8条指令之间存在的相关性，画出流水线的时空图，解释其中暂停的含义）

发生了RAW（先写后读）冲突的周期：4、6、7、9、10、13、14、17、18、20、21、25、26、28、29、32、33、36、37、39、40、44、45、47、48、51、52、55、56、58、59

ADDIU  $r2,$r0,56

ADDIU  $r3,$r0,68

LW $r1,0($r2)

ADD  $r1,$r1,$r3

SW  $r1,0($r2)

LW  $r5,0($r1)

ADDI  $r5,$r5,10

ADDI  $r2,$r2,4

指令1与指令2 名相关

指令3与指令4 数据相关

指令4与指令5 数据相关

指令5与指令6 数据相关

指令6与指令7 数据相关

第4个周期IF的暂停：读后写冲突，r3的值和r1的值相加与r0的值和68相加存到r3冲突

第6个周期ID的暂停：写后读冲突，r3的值和r1的值相加与把读r2的数据保存到r1冲突

第6个周期IF的暂停：写后读冲突，写r2的数据保存到r1与读r2的数据保存到r1冲突

第7个周期IF的暂停：写后写冲突，写r2的数据保存到r1与r3的值和r1的值相加冲突

第9个周期ID的暂停：写后写冲突，写r2的数据保存到r1与r3的值和r1的值相加冲突

第9个周期IF的暂停：读后写冲突，读r1的数据保存到r5与r3的值和r1的值相加冲突

第10个周期IF的暂停：读后写冲突，读r1的数据保存到r5与写r2的数据保存到r1冲突

第13个周期ID的暂停：写后读冲突，r5的值和10相加存到r5与读r1的数据保存到r5冲突

第13个周期IF的暂停：写后读冲突，r3的值和4相加存到r2与写r2的数据保存到r1冲突

第17个周期ID的暂停：读后写冲突，r3的值减r2的值存到r4与r2的值和4相加存到r2冲突

第17个周期IF的暂停：读后写冲突，判断r4是否大于0与r2的值和4相加存到r2冲突

第18个周期IF的暂停：读后写冲突，判断r4是否大于0与r3的值减r2的值存到r4冲突

（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。

总周期数65个，结构停顿周期数31个，占总执行周期数的47.69231%

（6）复位CPU。

（7）打开定向功能。这是通过在“配置”→“定向”（使该项前面有一个“√”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；

发生了RAW（先写后读）冲突的周期：5、10、13、18、22、25、30、34、37

（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

（10）向技术后性能提高的倍数。   

数据冲突引起的停顿时钟周期数：31/9=3.44倍

程序执行的总时钟周期数：65/43=1.51倍

总结：

1.加深了对流水线技术的理解：通过本次实验，加深了对计算机流水线基本概念的理解，特别是MIPS五段流水线的实现和各段的功能及基本操作。

2.掌握了解决数据冲突的方法：掌握了定向技术等解决数据冲突的方法，并理解了它们对减少流水线停顿、提高处理器性能的重要性。

3.对CPU性能优化的思考：实验中观察到了数据冲突和资源冲突对CPU性能的影响，这促使我思考如何通过优化指令调度、增加硬件资源等方法来进一步提高CPU的性能。