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实验二指令流水线相关性分析
·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。
·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。·实验步骤
一．使用WinDLX模拟器，对Fact.s做如下分析：
（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。
·实验过程
一．使用WinDLX模拟器，对Fact.s做如下分析：
浮点加、乘、除部件都设置为1，浮点数运算部件的延时都设置为4，如图1：
图1 初始设置
将fact.s和input.s加载至WinDLX中，如图2示。
图2 加载程序
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）数据相关
点击F7，使程序单步执行，当出现R-Stall时停止，运行过程中出现下图3所示，输入整数6。
图3 输入整数6
打开Clock Diagram，可以清楚的看到指令执行的流水线如图4所示。
图4 指令流水线
双击第一次出现R-Stall的指令行，如图5所示。
图5 指令详细信息
对以上出现的情况分析如下：
程序发生了数据相关，R-Stall（R-暂停）表示引起暂停的原因是RAW。
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。
由此，相关指令为：
2）控制相关
由图6可以看出，在第4时钟周期：第一条指令处于MEM段，第二条命令
处于intEX段，第三条指令出于aborted状态，第四条命令处于IF段。
图6 指令流水线
以上情况原因分析：
在窗口中，模拟处于第四时钟周期，第3条命令指示为：“aborted”。原因是：第二条命令jal InputUnsigned是无条件分支指令，在第4个时钟周期，jal指令执行intEX周期之后才知道转移的位置，下一条指令应该执行sw SaveR2(r0),r2指令。但之前jal InputUnsigned的下一条命令movi2fp f10.r1已经取出，所以需要将该指令流水清空，即movi2fp的执行应被取消，在流水线中留下气泡。
3）结构相关
首先，我们先来看一下执行过控制相关的时空图和Pipeline，如下图7所示。
图7 控制相关
图8 控制相关的Pipeline
当我们点击Pipeline中IF所对应的框框可以看到详细的该指令执行情况，如下图9所示。
图9 指令详情
图9表明了addi r2,r2,0×1的详细信息。该指令与它前一条指令add r1,r1,r3发生了结构相关。并且由于此处的冲突，需要暂停2个周期。在ID段暂停后，则开始进图intEX段。所以这条指令（addi r2,r2,0×1）你不能进入ID流水段，译码部分占用，发生了结构相关。该部分的指令为：
1.考察增加浮点运算部件对性能的影响。
该实验取N=6
首先通过Configuration，点击Floating Point Stage Configuration来设置浮点运算部件的配置。实验要求所有浮点运算部件的延时都请设定为4个周期，所以我们将Delay这一栏改成4，而Count可以任意，为了对比，我们第一次浮点运算部件取全部为1，第二次浮点运算部件取全部为2。如下图所示：
运行50个cycles之后，可以看到他们数据的对比：
由此可见，浮点运算部件的增减对效率无影响。比较各个数据，发现没有变化。无论怎么增加浮点运算部件，统计结果都一样。原因在于此程序中浮点计算指令没有重叠，所以并行度没有增加，性能没有提高。
3.考察增加forward部件对性能的影响。
为了对比有无forward部件的性能。需要在Configuration中勾选enable forwarding，以及不勾选enable configuration来看性能数据的对比，不使用forward部件和使用forward部件：
从上面的数据我们可以看出增加forward部件后RAW由原来占总时钟周期的26%减少至18%，RAW个数由原来的13减少至9。增加forward部件使得控制相关比例增加了。即，使用forward部件后，总的时钟周期减少，数据相关减少，流水线的性能得到一定的改善。
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。
我们假设，浮点部件设置Count=1，Delay=4；N=6。执行50个cycles完毕后，查看条件转移分支，如下图所示：
由上图可知，转移指令一共2条，成功转移1条（占50%），不成功为1条。
所以，静态指令调度算法只能解决数据相关，条件转移结果与原来相比没有变化。即，若转移不成功，对流水线的执行无影响，流水线的吞吐率和效率没有降低；若转移成功，则要废弃预先读入的指令，重新从转移成功处读入指令，执行效率会下降。
·实验总结
通过本次试验，不仅更加熟悉了WinDLX模拟器的使用以及对其基础功能的认识，而且通过单步执行程序，观察三种相关的出现，以及思考出现的原因，是我更加深入了解了流水线。