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【题目】
44.(12分)某16位计算机中,带符号整数用补码表示,数据Cache和指令Cache分离。题44表给出了指令系统中部分指令格式,其中Rs和Rd表示寄存器,mem表示存储单元地址,(x)表示寄存器x或存储单元x的内容。
该计算机采用5段流水方式执行指令,各流水段分别是取指(IF)、译码/读寄存器(ID)、执行/计算有效地址(EX)、访问存储器(M)和结果写回寄存器(WB),流水线采用“按序发射,按序完成”方式,没有采用转发技术处理数据相关,并且同一个寄存器的读和写操作不能在同一个时钟周期内进行。请回答下列问题。
(1)若int型变量x的值为-513,存放在寄存器R1中,则执行指令“SHR R1”后,R1的内容是多少?(用十六进制表示)
(2)若某个时间段中,有连续的4条指令进入流水线,在其执行过程中没有发生任何阻塞,则执行这4条指令所需的时钟周期数为多少?
(3)若高级语言程序中某赋值语句为x=a+b,x、a和b均为int型变量,它们的存储单元地址分别表示为[x]、[a]和[b]。该语句对应的指令序列及其在指令流水线中的执行过程如题44图所示。
则这4条指令执行过程中,Ⅰ3,的ID段和Ⅰ4的IF段被阻塞的原因各是什么?
(4)若高级语言程序中某赋值语句为x=2*x+a,x和a均为unsigned int类型变量,它们的存储单元地址分别表示为[x]、[a],则执行这条语句至少需要多少个时钟周期?要求模仿题44图画出这条语句对应的指令序列及其在流水线中的执行过程示意图。
【答案要点】
(1)x的机器码为[x]补=1111 1101 1111 1111 B,即指令执行前(R1)=FDFFH,右移1位后为
1111 1110 1111 1111B,即指令执行后(R1)=FEFFH。(2分)
(2)至少需要4+(5-1)=8个时钟周期数。(2分)
(3)Ⅰ3的ID段被阻塞的原因:因为Ⅰ3与Ⅰ1和Ⅰ2都存在数据相关,需等到Ⅰ1和Ⅰ2将结
果写回寄存器后,Ⅰ3才能读寄存器内容,所以Ⅰ3的ID段被阻塞。(1分)
Ⅰ4的IF段被阻塞的原因:因为Ⅰ4的前一条指令Ⅰ3在ID段被阻塞,所以Ⅰ4的IF段被阻
塞。(1分)
(4)因2*x操作有左移和加法两种实现方法,故x=2*x+a对应的指令序列为:
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