【2021计算机体系结构实验四 解决控制冒险报告】 1. 修改流水线CPU代码,解决无条件跳转指令(JUMP指令)的控制冒险问题。 a) 消除无条件跳转指令的后续指令所产生的影响; 2. 修改流水线CPU代码,解决条件跳转指令(BNE与BEQ指令)的控制冒险问题。 a) 当条件跳转指令的Z信号还未准备好时,需要暂停流水线; b) 消除条件跳转指令的后续指令所产生的影响; 3. 设置指令序列进行仿真,验证所实现流水线CPU能够解决控制冒险问题。 4. 在流水线CPU结构图中做出相应修改: a) 画出为流水线解决数据冒险与控制冒险问题所增加的功能部件及相应控制信号; b) 说明所增加功能部件及相应控制信号是如何被使用。 计算机体系结构实验报告聚焦于解决控制冒险问题,这是在流水线处理器中常见的一种挑战。控制冒险,也称为转移相关问题,源于程序流程控制指令(如JUMP、BNE和BEQ)可能导致错误执行顺序,特别是在流水线操作中。在单周期CPU中,条件转移的决定基于ALU的Z标志,但在流水线CPU中,必须提前判断条件,以避免错误的指令执行。 实验主要涉及以下三个方面: 1. **无条件跳转指令(JUMP指令)的控制冒险**: 无条件跳转指令在ID级完成转移地址计算时,IF级已经预取了新指令。为解决这个问题,需要硬件机制来废弃IF级的新指令,确保下一条执行的指令是正确的转移目标地址。 2. **条件跳转指令(BNE与BEQ指令)的控制冒险**: 条件跳转指令依赖于Z标志,当Z标志未准备好时,流水线需暂停。实验通过在ID级增加比较电路,提前计算id_z信号(相当于rsrtequ信号),以决定是否跳转。如果条件满足,ID级检测到条件转移并立即更新IF级指令为空指令,防止错误执行。 3. **设置指令序列仿真验证**: 实验还包括设计一系列指令序列,以验证修改后的流水线CPU是否能有效地解决控制冒险问题。这要求CPU能够正确处理各种跳转指令,包括与数据冒险(如BEQ和BNE与ALU或LOAD指令共享目的寄存器时)相结合的情况。 实验中,为了解决控制冒险,ID级增加了比较器电路,用于比较两个寄存器值并生成id_z信号。当id_z为1时,表示转移发生。此外,通过一个称为“nop”的部件来实现IF级指令的替换,当检测到转移指令时,nop部件输出空指令,否则输出下一条预取指令。 在解决控制冒险的电路结构图中,紫色线条表示新增的控制冒险解决方案部分。实验的目标在于加深对流水线CPU与单周期CPU差异的理解,熟悉Verilog HDL设计语言,以及掌握Xilinx ISE Design Suite 14.7开发平台的操作,并进一步理解控制冒险的概念和解决策略。 此实验报告详细探讨了流水线CPU如何通过在ID级进行早期判断和硬件优化来解决控制冒险,以保证正确执行程序流程,这对于理解和设计高性能处理器至关重要。
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