【2021计算机体系结构实验三 解决数据冒险报告】
（1）使用纯暂停流水线方法解决数据冒险问题：
1. 分析数据冒险出现的情况有哪些；
2. 如何检测数据冒险是否发生；
3. 修改流水线CPU代码，当数据冒险发生时用暂停流水线的方式处理，保证程序运行结果的正确性。
（2）使用内部前推技术+暂停流水线方法解决数据冒险问题：
1. 分析数据冒险出现的情况有哪些；
2. 如何检测数据冒险是否发生；
3. 修改流水线CPU代码，当数据冒险发生时用数据前推的方式处理，保证程序运行结果的正确性。
分析在非Load指令后产生数据冒险时，是否能通过纯内部前推技术得到正确结果。分析当检测到Load指令后数据冒险时，是否能通过内部前推数据+暂停流水线技术得到正确的计算结果。
计算机体系结构实验报告的核心主题是解决数据冒险问题，这是在流水线处理器设计中常见的挑战。数据冒险是指在流水线中，由于指令的重叠执行，导致原本按照串行顺序进行的读/写操作数顺序发生变化，进而使得依赖于前面指令结果的后续指令无法获取到正确数据。
1. **数据冒险的类型和检测**：
数据冒险主要有三种类型：**数据相关（Data Hazard）、控制相关（Control Hazard）和结构相关（Structural Hazard）**。在这个实验中，主要关注的是数据相关。检测数据冒险通常通过比较当前指令的源寄存器与流水线中后续指令的目的寄存器，看是否存在读写冲突。例如，若L1指令写的目的寄存器与L2或L3指令的源操作数相同，则可能存在数据冒险。
2. **解决数据冒险的策略**：
- **软件方法**：编译器通过插入NOP（无操作）指令来填充流水线，延迟可能存在数据冒险的指令执行，直到冒险解除。但这种方法效率较低。
- **硬件停顿**：在检测到数据冒险时，暂停流水线，等待冲突指令执行完毕再继续。这种方法简单，但会增加处理器的延迟。
- **硬件前推（Forwarding）**：在执行阶段（EXE）提前完成寄存器写回，通过增加数据通路将前一条指令的结果提前传递给后续指令，减少流水线停顿，提高效率。
3. **暂停流水线的方法**：
- **检测**：在ID级（指令解码）至少需要向前检查两个时钟周期的数据冒险。通过比较当前指令的源寄存器与EXE级和MEM级要写入的寄存器号，如果匹配，则可能存在数据冒险。根据表达式`stall1`和`stall2`可以检测EXE级和MEM级的数据冒险。
- **暂停**：一旦检测到数据冒险，需封锁相关控制信号，不让新指令进入IR，同时保持PC值不变，直到冒险消除。
4. **内部前推技术**：
内部前推技术结合暂停流水线，允许在非Load指令后的数据冒险中提前提供数据。然而，对于Load指令后发生的数据冒险，可能需要结合暂停流水线技术，因为Load指令通常涉及内存访问，其结果不能立即可用。
5. **实验内容**：
学生需要分析数据冒险的场景，设计并实现检测机制，以及利用纯暂停流水线和内部前推技术处理数据冒险的代码修改。同时，需要评估这些方法在不同情况下的正确性和效率。
实验中，学生需理解流水线的基本原理，掌握数据冒险的识别与处理方法，并能够通过编程实现这些技术，以确保处理器的正确运行和性能优化。此外，实验也强调了理论与实践的结合，通过具体案例分析和代码实现，提升学生的动手能力和问题解决能力。
