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MIPS 五級整數流水線模擬系統設計與實作

編輯：關於VC++

專案概覽

開發環境：VC++ 6.0 / MFC 對話方塊應用
輸入：MIPS 組合語言程式（互動輸入或 .mips 檔案）
核心功能：流水線狀態圖顯示、暫存器/記憶體檢視、指令統計、時脈週期計算
支援指令：LW, SW, ADD, SUB, MUL, DIV, AND, OR, XOR, ADDI, SUBI, MULI, DIVI, ANDI, ORI, XORI, BEQZ, BNEZ, J, JR, Trap
兩種執行模式：有/無前推電路
四種轉移策略：流水線清空、預測成功、預測不轉移、延遲轉移

系統架構

五級流水線階段

IF：指令擷取
ID：指令解碼/暫存器讀取
EX：執行/位址計算
MEM：記憶體存取
WB：寫回暫存器

關鍵模組

指令解析器：詞法分析、語法分析、建立指令物件
危障偵測單元：資料危障（RAW/WAR/WAW）、控制危障（分支）
前推單元：EX/MEM、MEM/WB 階段結果前推至 EX 輸入
分支預測器：四種策略實作
統計收集器：指令計數、頻度、總週期數
視覺化介面：流水線時空圖、暫存器/記憶體即時顯示

核心演算法

資料危障處理（有前推）


// 偵測 EX 階段需求暫存器是否為前序指令寫入目標
if (ID_EX.rs == EX_MEM.rd && EX_MEM.RegWrite)  ForwardA = 10; // 從 EX/MEM 前推
if (ID_EX.rs == MEM_WB.rd && MEM_WB.RegWrite)  ForwardA = 01; // 從 MEM/WB 前推
// 同理處理 rt (ForwardB)

負載使用危障 (Load-Use Hazard)


// LW 後緊接使用其結果的指令，即使有前推也需暫停一週期
if (ID_EX.MemRead && (ID_EX.rt == IF_ID.rs || ID_EX.rt == IF_ID.rt)) {
    StallPipeline(); // 插入氣泡
}

分支策略實作

策略	行為	週期成本
流水線清空 / 預測成功	分支解析前暫停，解析後正確路徑繼續	分支延遲槽數
預測不轉移	假設不跳轉繼續取指，跳轉時清空重取	跳轉時罰則
延遲轉移	分支指令後固定執行 N 條指令 (延遲槽)	編譯器填充有用指令

介面功能

程式碼編輯區：支援語法高亮、行號
執行控制：單步、全速、暫停、重置
流水線視覺化：時空圖顯示各指令各週期所在階段，氣泡以特殊符號標示
暫存器/記憶體檢視：16/10 進制切換、修改數值
統計報表：指令動態/靜態計數、頻度分布、CPI、總週期

測試案例


# 測試資料危障與前推
ADD  $1, $2, $3
SUB  $4, $1, $5   # RAW: $1
LW   $6, 0($7)
ADD  $8, $6, $9   # Load-Use Hazard

# 測試分支預測
BEQZ $1, Label
ADDI $2, $2, 1
Label:
ADD  $3, $4, $5

專案結構


MIPS_Simulator/
├── bin/                    # 執行檔
├── src/
│   ├── Instruction.h/.cpp  # 指令基類與衍生類
│   ├── Pipeline.h/.cpp     # 流水線核心邏輯
│   ├── HazardUnit.h/.cpp   # 危障偵測與前推
│   ├── BranchPredictor.h/.cpp # 四種策略
│   ├── Parser.h/.cpp       # 組語解析
│   ├── Statistics.h/.cpp   # 統計收集
│   ├── MainDlg.h/.cpp      # MFC 主對話框
│   └── Visualizer.h/.cpp   # 流水線圖繪製
└── docs/                   # 設計文件