一.實驗目的

（1）理解計算機流水線基本概念。
（2）理解MIPS結構如何用5段流水線來實現。
（3）理解各段的功能和基本操作。
（4）加深對資料衝突、結構衝突的理解，理解這兩類衝突對CPU效能的影響。
（5）進一步理解解決資料衝突的方法，掌握如何應用定向技術來減少資料衝突引起的停頓。

二.實驗內容和步驟

（1）、啟動MIPSsim。
（2）、根據預備知識中關於流水線各段操作的描述，進一步理解流水線視窗中各段的功能，掌握各流水暫存器的含義。（用滑鼠雙擊各段，就可以看到各流水暫存器的內容）
（3）、參照MIPSsim模擬器使用說明，熟悉MIPSsim模擬器的操作和使用方法。
（4）、選擇配置選單中的“流水方式”選項，使模擬器工作於流水方式

下。
（5）、觀察程式在流水線中的執行情況,步驟如下：
1）選擇MIPSsim的“檔案”—>“載入程式”選項來載入pipeline.s。
2）關閉定向功能。這是通過“配置”—>“定向”。

3）用單步執行一個週期的方式執行該程式，觀察每一個週期中，各段流水暫存器內容的變化、指令的執行情況（“程式碼”視窗）以及時鐘週期圖。
4）當執行到第13個時鐘週期時，各段分別正在處理的指令是：
IF: LW R4,60(R6) 取指
ID： ADDI r3,r0,25 讀暫存器
EX： ADDI r

1,r1,-1 執行
MEM： ADDI r6,r0,8 訪存
WB： ADD r2,r1,$r0 回寫

畫出這時的時鐘週期圖。

(6)、這時各流水暫存器中的內容為：
IF/ID.IR： 0X8CC4003C 機器碼
IF/ID.NPC： 0X00000030 下一條地址
ID/EX.A： 0
ID/EX.B： 0
ID/EX.IR： 25
ID/EX.Imm： 0X20030019
EX/MEM.ALUo： 4
EX/MEM.IR： 0X2021FFFF

MEM/WB.LMD： 0
MEM/WB.ALUo： 8
MEM/WB.IR： 0X20060008

(7)、觀察和分析結構衝突對CPU效能的影響，步驟如下：
1）載入structure_hz.s。
2）執行該程式，找出存在結構衝突的指令對以及導致結構衝突的部件。
指令fadd;
部件是浮點加法器

3）記錄由結構衝突引起的停頓時鐘週期數，計算停頓時鐘週期數佔總執行週期數的百分比。
總週期數52個，結構停頓週期數35個，佔總執行週期數的67.30769%

4）把浮點加法器的個數改為4個。

5）再次重複步驟1）-步驟3）的工作。

6）分析結構衝突對CPU效能的影響，討論解決結構衝突的方法。

解決一：暫停一個時鐘週期，取後一條指令操作；
解決二：設定兩個獨立的儲存器分別存放運算元和指令，
還可以採取指令預存技術；
(8)、 觀察資料衝突並用定向技術來減少停頓，步驟如下：
1）全部復位。
2）載入data_hz.s。
3）關閉定向功能。
4）單步執行一個週期，同時檢視時鐘週期圖，列出在什麼時刻發生了RAW（先寫後讀）衝突。
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

5）記錄資料衝突引起的停頓時鐘週期數及程式執行的總時鐘週期數，計算停頓時鐘週期數佔總執行週期數的百分比。

6）復位CPU。
7）開啟定向功能。

8）單步執行一個週期，同時檢視時鐘週期圖，列出在什麼時刻發生了RAW（先寫後讀）衝突，並與步驟（3）的結果進行比較。
4 9 12 17 21 24 29 33 36
9）記錄由資料衝突引起的停頓時鐘週期數以及程式執行的總時鐘週期數，計算採用定向技術後的效能是原來的幾倍。65/43=1.51倍

三.實驗結果分析

1. 由於指令 處理過程分為取指令和執行指令兩個階段，不採用流水技術計算機裡，取指閒時間較高；所以有了流水線技令和執行指令是周而復始重複出現，但是問題來了，取指令與執行指令有它們的各自部件來完成，所以執行部件利用率不高，空術；

2. 好的流水線要充分流水；不發生斷流；由於資料相關，結構相關，控制相關，導致我們的流水線不斷流實現起來很困難；

3. 為什麼三種相關會對流水線造成影響？
   結構相關：指令在重疊執行過程中，不同指令爭用同一功能部件產生資源衝突是產生，例如：大多數電腦指令和資料儲存在同一個儲存器；某一時鐘週期裡，流水線既要完成某條指令對運算元的儲存器訪問操作MEM，又要完成另一條指令的取操作IF;
   如何解決：暫停一個時鐘週期，或者設定2個獨立儲存器存放運算元和指令
   資料相關：由於指令相挨太近，上一條執行的結果要在下一條指令中執行；但是由於五段流水方式導致，先寫後讀的順序變為了先讀後寫，發生先寫後讀RAM的資料相關衝突；
   如何解決：後推法（停頓後繼指令的執行，直至前面指令結果已經產生）
   定向技術：（不必等執行結果送回暫存器，再次暫存器讀出該結果，而是作為下一條指令的源運算元，直接將結果送到指令需要的地方，EX段末尾處產生結果）

4. 五段流水線的各種各種操作

   

   結構衝突

   

   資料衝突

   

四.實驗總結

通過本次實驗，需要知道五個流水線產生的背景，學習MIPS五個流水線的具體含義，以及各段的具體含義，IF ID EX MEM WB主要作用，知道資料結構控制相關所可能產生的資料衝突，結構衝突；對兩種衝突所提出的解決的方法；

• 資料衝突採用定向功能對RAW（先寫後讀）衝突所產生得影響，後推法以及定向技術對衝突有所改進；

• 結構衝突可以插入暫停週期，停頓一拍再執行；或者設定相互獨立的指令儲存器和資料儲存器，設定相互獨立的指令/資料cache；

了指令的流水原理，以及分析了影響流水線效能的因素，並找出了很好的解決方案。

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