A.2 实验二流水线及流水线中的冲突
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。
环境的建立：见A.0。
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：
IF：
ID：
EX：
MEM：
WB：
画出这时的时钟周期图。
6. 这时各流水寄存器中的内容为：
IF/ID.IR：
IF/ID.NPC：
ID/EX.A：
ID/EX.B：
ID/EX.Imm：
ID/EX.IR：
EX/MEM.ALUo：
EX/MEM.IR：
MEM/WB.LMD：
MEM/WB.ALUo：
MEM/WB.IR：
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。
(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；
（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。
（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。
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。
（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。
（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；
（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。
