深圳大学处理器结构实验报告:MIPS五级流水线分析
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更新于2024-08-04
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"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。
2021-09-28 上传
2021-03-15 上传
2022-08-03 上传
2022-08-08 上传
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