深圳大学处理器结构实验报告：MIPS五级流水线分析

"深圳大学计算机系统(3)处理器结构实验报告，由沈晨玙完成，主要涉及MIPS五级流水线的理解、流水线冒险的识别与处理、指令优化以及MIPS指令的使用。实验中，通过调整C代码到MIPS代码并进行性能分析，以提高流水线效率。" 在本次处理器结构实验中，主要关注了以下几个知识点： 1. MIPS五级流水线：MIPS处理器采用的五级流水线结构通常包括取指(IF)、译码(DEC)、执行(EXE)、内存访问(MEM)和写回(WB)五个阶段。这种设计旨在提高处理器的吞吐量，使得每条指令的执行过程可以部分重叠，从而提升整体性能。 2. 流水线冒险：流水线冒险是由于数据依赖、控制依赖或资源冲突导致的流水线停滞现象。数据相关（如前一条指令的结果被后一条指令使用）可能导致数据冒险；分支指令可能会引发控制冒险，因为需要等待分支目标地址的确切值；资源冲突是指多个指令同时需要使用同一硬件资源而引起的冲突。 3. 指令序列调整：为了消除流水线冒险，可以通过指令调度或重新排序来避免数据相关。例如，在矩阵相加的代码中，可以通过适当调整循环的展开程度，使得相关指令之间有足够的间隔，从而减少数据依赖造成的流水线阻塞。 4. 前进/旁路技术（Forwarding/Bypassing）：这是处理数据冒险的一种策略，允许指令执行阶段提前将结果传递给后续指令，而不是等待写回阶段。在实验中，启用前进功能可以减少等待时间，提升性能。 5. MIPS指令使用：实验中从C代码转换为MIPS汇编代码，展示了如何将高级语言的逻辑转换为底层机器指令。这包括数据加载与存储（如`ld`和`sd`）、算术运算（如`add`、`sub`等）、分支操作（如`beq`）以及循环控制。 6. 实验环境：实验在Windows操作系统上进行，使用WinMIPS64仿真器来模拟MIPS处理器的运行，这为学生提供了实际处理器环境的近似体验。 7. 实验步骤：首先，分析原始代码中的流水线冒险；接着，通过指令调整避免数据相关；然后，启用前进功能以提升性能；最后，可选地，使用perf工具在x86平台上记录数据相关和优化后的执行时间，以进一步比较不同优化策略的效果。 通过这个实验，学生不仅能深入理解处理器内部的工作原理，还能掌握优化代码以提高处理器效率的技巧，对于理解和设计高性能计算系统具有重要意义。