实验二：流水线及流水线中的冲突
一、实验目的
- 加深对计算机流水线基本概念的理解。
- 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。
- 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。
- 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。
二、实验内容和步骤
首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。见文档《MIPSsim使用手册》。
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启动MIPSsim。
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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）
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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。 -
选择配置菜单中的“流水方式”，使模拟器工作于流水方式下。
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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：
IF：LW $r4, 60($6)
ID：ADDI $r3,$r0,25
EX：ADDI $r1,$r1,-1
MEM：ADDI $r6,$r0,8
WB：ADD $r2,$r1,$r0
画出这时的时钟周期图。
- 这时各流水寄存器中的内容为：
IF/ID.IR: 0x8CC4003C // IF 与 ID 之间的指令寄存器存放的机器码
IF/ID.NPC: 0x00000030 // IF 与 ID 之间的指令程序计数器存放的下一条指令地址
ID/EX.A: 0x0000000000000000 // ID 与 EX 之间的第一操作数寄存器存放的是 0
ID/EX.B: 0x0000000000000000 // ID 与 EX 之间的第二操作数寄存器存放的是 0
ID/EX.Imm: 0x0000000000000019 // 将 25 存入 ID 与 EX 之间的立即数寄存器
ID/EX.IR: 0x20030019 // ID 与 EX 之间的指令寄存器存放的机器码
EX/MEM.ALUo: 0x0000000000000004 // EX 与 MEM 之间的 ALU 计算结果为 4
EX/MEM.IR: 0x2020FFFF // EX 与 MEM 之间的指令寄存器存放的机器码
MEM/WB.LMD: 0x0000000000000000 // MEM 与 WB 之间的数据寄存器存放从存储器读出的数据 0
MEM/WB.ALUo: 0x0000000000000008 // 存放从 EX/MEM.ALUo 传过来的计算结果是8
MEM/WB.IR: 0x20060008 // MEM 与 WB 段之间的指令寄存器存放的机器码
- 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。
存在结构冲突的指令：fadd
导致结构冲突的部件：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；52个周期，结构冲突引起的停顿35个周期，占比为67.31%
（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。
结构冲突指令：fadd
停顿时钟周期：2个，总执行周期：19个，停顿周期占比：10.53%
（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。
问题分析：结构冲突是硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突。该冲突会导致流水线停顿，从而影响 CPU 性能。
解决方案：从前几个问题可以发现，当多添加加法器之后，结构停顿周期数明显减少，占周期总数的百分比明显降低。因此，在流水线处理机中设置相互独立的指令寄存器和数据寄存器，或者将统一的Cache分成独立的指令 Cache 和数据 Cache，即可解决结构冲突。
- 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。
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周期发生了冲突
（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。
总时钟周期数：65
RAW停顿：31 占周期总数的百分比：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；
第5、10、13、18、22、25、30、34、37发生了冲突
（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。计算采用定向技术后性能提高的倍数。
停顿时钟周期数：9 总时钟周期数：43 占比：20.93%。性能提高了1.51倍。