实验四：五级流水线与流水线冒险1

实验四：“五级流水线与流水线冒险1”主要探讨了MIPS处理器中五级流水线的工作原理以及如何处理流水线冒险，特别是数据相关（RAW）的问题，以提高处理器的执行效率。实验目的是通过理解MIPS五级流水线的结构，识别在执行特定指令序列时可能出现的各种流水线冒险，然后通过指令重排序和使用前向数据传递（Forwarding）等技术来减少这些冒险，从而提升性能。 在五级流水线中，通常包括取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、访存（MEM）和写回（WB）五个阶段。当指令在不同阶段执行时，如果一条指令的结果需要作为下一条指令的输入，而这两条指令又没有正确地按时间顺序排列，就会出现流水线冒险，尤其是数据相关（RAW）。例如，如果一个加法的结果需要在下一条指令的访存阶段使用，但加法指令还在执行阶段，就会发生数据冲突，导致流水线停滞。 实验内容是基于C语言的矩阵相加代码，转换成MIPS汇编语言，并在WinMIPS64模拟器中运行。原始代码中，由于数据加载和存储的顺序不当，导致了多次RAW数据相关。通过对指令序列的调整，可以有效地减少这些相关，从而提升流水线的吞吐量。例如，通过提前加载`len`变量的值，可以消除两条指令之间的RAW依赖；另外，通过改变加载、计算和存储的顺序，也能减少数据相关的次数。 此外，实验还引入了前向数据传递功能。在现代处理器中，前向数据传递是一种优化技术，它允许处理器内部在执行阶段提前将计算结果传递给后续的访存阶段，而不是等待写回阶段，从而减少流水线的等待时间，提高性能。启用这个功能后，可以进一步减少因数据相关引起的延迟，使流水线执行更加流畅。 通过实验，学生可以深入理解流水线的工作机制，学习如何通过指令调度和硬件优化技术来提高处理器效率。实验提供了实际操作和数据分析的机会，有助于理论知识与实践技能的结合，对于提升对计算机体系结构的理解非常有益。