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Fragestellung und Syntaxklärung
Um die Frage nach dem Ablauf des MIPS-Programms besser beantworten zu können, gehen wir zunächst auf deine Fragen ein, insbesondere die Syntax und die Bedeutung von Hexadezimalzahlen sowie den spezifischen Befehlen.
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Hexadezimalzahlen: In MIPS und vielen anderen Assembly-Sprachen werden Hexadezimalzahlen oft verwendet, um konstante Werte oder Adressen darzustellen. Das Präfix "0x" zeigt an, dass die nachfolgende Zahl eine Hexadezimalzahl ist. Zum Beispiel repräsentiert "0x4" den dezimalen Wert 4 und "0xAC" entspricht in Dezimal 172.
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Adressierungsmodi: Die Notation "0x8($1)" beim Befehl
sw (store word) bedeutet, dass zum Inhalt des Registers $1 acht Einheiten hinzugefügt werden, um die effektive Adresse zu berechnen, an der ein Wort („$2“) gespeichert werden soll. Es ist ein Beispiel für immediate Adressierung kombiniert mit Registerindirekter Adressierung.
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Register $0: In MIPS ist Register $0 ein spezielles Register, das immer den Wert 0 enthält. Jegliche Schreiboperationen auf diesem Register haben keine Auswirkung.
Ablaufsimulation ohne und mit Hazard Detection/Data-Forwarding
Nun zur Simulation des MIPS-Programms ohne und mit Hazard Detection und Data-Forwarding:
1.
Ohne Hazard Detection/Data-Forwarding:
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Hazard Detection: Ein "Hazard" im Kontext der Prozessorarchitektur bezieht sich auf ein Szenario, in dem eine Instruktion abhängig von der Ergebnis einer vorherigen Instruktion ist, bevor dieses Ergebnis verfügbar ist. Dies führt zu Verzögerungen (sogenannten Stalls).
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Data Forwarding: Diese Technik wird verwendet, um Hazards zu vermeiden, indem Daten direkt von der ALU, aus einem Puffer, oder aus einem Schreib-Lese-Register weitergeleitet werden, anstatt auf das reguläre Schreiben und Lesen von Registern zu warten.
2.
Mit Hazard Detection/Data-Forwarding:
Unter Berücksichtigung der Hazards und deren Behebung mit Datenweiterleitung simulieren wir den folgenden Ablauf:
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addi $1, $0, 0x4: Setzt $1 auf 4 (da $0 immer 0 ist).
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sub $9, $1, $1: Setzt $9 auf 0, da $1 − $1 = 0.
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xori $3, $1, 0xAC: Setzt $3 auf (4 XOR 172) = 168.
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ori $2, $9, 0xF0: Setzt $2 auf (0 OR 240) = 240.
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sw $2, 0x8($1): Speichert den Wert von $2 (240) an der Adresse 4+8=12.
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xor $6, $1, $3: Setzt $6 auf (4 XOR 168) = 172.
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addi $3, $0, 0x1: Setzt $3 auf 1.
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sll $3, $3, 0x3: Verschiebt $3 (1) 3 Stellen links, also $3 = 8 jetzt.
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add $1, $1, $3: Addiert $1 (4) und $3 (8), setzt $1 auf 12.
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lw $9, 0x0($1): Lädt den Wert an der Adresse $1 (12) in $9. Da wir zuvor etwas an Adresse 12 gespeichert haben (den Wert 240), wird $9 jetzt 240 sein.
Antwort auf die Frage während der Ausführung mit und ohne Hazards:
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Ohne Hazard Detection und ohne Data Forwarding könnten Data Hazards auftreten, die normalerweise ein Einfügen von NOPs (No-Operation-Befehlen) erfordern würden, insbesondere zwischen Befehlen, die von den Ergebnissen vorheriger Befehle direkt abhängen. In einer praxisnahen Simulation würden dies u.U. Pausen in der Ausführung bedeuten, um zu warten, bis die erforderlichen Daten verfügbar sind.
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Mit Hazard Detection und Data Forwarding werden viele dieser Verzögerungen vermieden, indem Daten aus früheren Operationen direkt an nachfolgende Instruktionen weitergeleitet werden, die sie benötigen. So werden Stalls reduziert und die Ausführungsgeschwindigkeit erhöht.
Wert in Register $9 nach Ausführung (mit oder ohne Data Forwarding): Der Wert in Register $9 wird schlussendlich 240 sein, da der letzte Befehl
lw $9, 0x0($1) diesen Wert aus dem Speicher an der durch $1 (12) bestimmten Adresse lädt, wo zuvor der Wert 240 gespeichert wurde.
