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实验报告
学 院： 计算机学院 课程名称： 计算机系统结构 实验名称： WINDLX模拟器实验 班 级： 姓 名： 学 号：
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实验一 WINDLX模拟器安装及使用
略
实验二 指令流水线相关性分析
一． 实验类别
验证实验
二． 实验目的
通过使用WINDLX模拟器，对程序中的三种相关现象进行观察，并对使用专用通路，增加运算部件等技术对性能的影响进行考察，加深对流水线和RISC处理器的特点的理解。
三． 实验环境
Windows XP操作系统 WinDLX模拟器
四． 实验原理
指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。相关影响流水线性能。
（1） 数据相关
定义：原有先后顺序的两条指令（I1，I2)在对共享变量（位置）进行读、写时，指令流水线中实际完成的读、写顺序与原有顺序不一
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致，导致流水线输出错误。
三类数据相关：
写读(WR)相关 读写(RW)相关 写写(WW)相关
解决方法技术：
1. 使某些流水线指令延迟、停顿一或多个周期。
2. 双端口存储器:如果指令和数据放在同一个存储器。 3. 设置两个存储器：一个数据存储，一个为指令存储器。 4. 软件优化编译：通过指令重新排序，消除数据相关。 5. 定向技术：又称旁路技术或专用通路技术，是使后续指令提前得到前指令的运算结果(适合ALU类指令）
（2）结构相关
定义：如果某指令在流水线重叠执行过程中，硬件资源满足不了
指令重叠执行的要求，会产生资源冲突或竞争，称为流水线结构相关
解决方法技术：
1. 延迟技术：使某些指令延迟、停顿一或多个时钟周期 2. 双端口存储器：允许同时读两个数据或指令 3. 设置双存储器（哈弗结构）：一个数据存储，一个指令存储。 4软件优化编译：通过指令重新排序消除结构相关。
（3）控制相关
定义：控制相关是指因程序执行转移类指令而引起的冲突相关。
包括无条件转移、条件转移、子程序调用、中断等，它们属于分支指令，执行中可能改变程序方向，造成流水线断流。
解决方法技术：
1、 静态分支技术
静态转移预测技术(猜测法) ； 延迟转移；
提前形成条件码，生成转移目标地址； 改进循环程序 ；
2、 动态分支预测技术
转移历史表BHT； 转移目标缓冲栈（BTB）； 转移目标指令缓冲栈BTIB；
五． 实验步骤
（1） 观察程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中出现上述现象的指令组合。
（2） 考察增加浮点运算部件对性能的影响。 （3） 考察增加forward部件对性能的影响。
（4） 观察转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销。 注意：除（2）以外，浮点加、乘、除部件都只有一个；
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本问题中所有浮点运算部件的延时都请设定为4个周期。
六． 实验过程
在开始模拟之前，将fact.s和input.s加载至WinDLX中。
加载完后点击Code后可以看到如下图所示。证明加载成功，即可进行以下实验。
（1）观察程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中出现上述现象的指令组合。
1.1. 数据相关 如图所示
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lbu r3,0×0(r2)
要在WB周期写回r3中的数据；而下一条指令 seqi r5,r3,0×a
要在intEX周期中读取r3中的数据。
上述过程发生了WR冲突，即写读相关。为了避免此类冲突， seq r5,r4,0×a的intEX指令延迟了一个周期进行。 则发生数据相关的指令为
1.2控制相关
可知第0*00000130条指令jfact.Loop为循环指令，指令在EX时刻才能判别指令是否发生转移，此时发生了控制相关。如下所示，此时指令跳转成功，故顺序取出的指令必须中断，并且转向取出转移到的指令。
jfact.Loop在EX时发现跳转成功，则在EX阶段马上结束指令顺序取出的指令sd PrintfValue(r0),f0，转而执行led f0/4指令的取指阶段ID。由于此控制相关使得流水线断流一个时钟周期。
1.3 结构相关
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北邮计算机系统结构-WINDLX模拟器实验 报告
