宋光磊MIPS流水线实验报告Word文档格式.docx
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daddir3,r2,24
loop:
lwr1,0（r2）
daddir1,r1,1
swr1,0（r2）
daddir2,r2,4
dsubr4,r3,r2
bnezr4,loop
daddir5,r0,0
daddir6,r0,0
halt
二．可能存在的数据冒险分析
存在冒险的语句组1
daddir2,r0,number
daddir3,r2,24
这两个语句存在数据相关性为r2，第一个句子的r2为目的寄存器，第二个的r2为源寄存器。
因为整数流水线的性质，会出现RAW数据冒险。
单步试验测试如下：
存在冒险的语句组2
lwr1,0（r2）
daddir1,r1,1
其中load指令中的r1为目的寄存器，ADDI中的r1为源寄存器。
两者存在数据相关性。
因为Load指令的数据r1在WB之后才能被下个指令中的ID阶段读取，所以会出现类两个周期的stall。
模拟测试如下：
存在冒险的语句组3
swr1,0（r2）
其中ADDI指令中的r1和sw中的r1存在数据相关。
同样只用ADDI在经过WB后把r1中的数据存到r1寄存器，sw才能在id阶段获取数据。
因为整数的周期性质，所以后者会在ID阶段等待两个stall
模拟测试结果如下：
存在冒险的语句组4
daddir2,r2,4
dsubr4,r3,r2
在组中ADDI中的r2为目的寄存器，SUB中的r2为源寄存器，因为整数流水线的性质，只有前者在WB时写入r2寄存器，SUB的ID阶段才能获取r2的值。
因此SUB中的id阶段也会有2个stall。
模拟验证如下
存在冒险的语句组5
bnezr4,loop
同理，在该组中r4为两个指令的相关数据，因此在nez中的ID阶段也会出现2个stall的数据冒险。
三.考察前送（forwarding）技术对流水线性能的影响
针对上面的数据冒险情况，有forwarding会对部分数据冒险进行消除。
下面对具体上面的五组数据冒险进行逐一分析。
组1的数据冒险被消除
因为使用forwarding技术，使得前者在EX阶段产生的数据直接送到下个指令的EX阶段，因此在该阶段，第二个ADDI指令不用再等到WB阶段在运行。
不会存在stall。
模拟验证如下：
组2的数据冒险未被消除
load指令中的r1和ADDI中的r1存在数据相关，即使存在forwarding技术，因为Load产生可用数据在MEM阶段，而第二个指令ADDI指令的EXE阶段在第一个指令的MEN之前，所以后者必须等一个周期，因此会产生一个stall。
组3的数据冒险消除
原因分析和组1的相同，这里不再赘述。
组4数据冒险被消除
原因分析和组1组3相同。
组5的数据冒险未被消除
四．通过调度减少冒险
修改代码顺序，在Forwarding情况下消除数据冒险,修改后的代码如下。
daddir1,r1,1
swr1,-4（r2）
单步运行过程如下：
由上图的运行结果可以看出有上面5组情况引起的数据冒险RAW均被消除。
五．总结
为修改代码之前，不使用forwaring技术的运行统计信息如下：
设运行的总周期数为N1
平均每条指令的运行周期CPI1
由图可以看出
CPI1=
N1=100
添加forwarding技术后，运行结果统计如下
设运行的总周期数为N2
平均每条指令的运行周期CPI2
CPI2=
N2=62
修改代码后，消除必要的数据冒险，运行统计如下
设运行的总周期数为N3
平均每条指令的运行周期CPI3
CPI3=
N3=50
综上所述：
运行总周期数：
N3<
N2<
N1
CPI:
CPI3<
CPI2<
CPI1
结论：
1.通过forwarding和优化代码顺序可以提高代码运行效率；
2.Forwarding不能解决Load后面跟运算和ranch前有运算的数据相关冒险
3.通过修改代码顺序可以解决forwarding解决不了的数据冒险。
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