(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。下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。
指令系统中部分指令格式
名称 | 指令的汇编格式 | 指令功能 |
加法指令 | ADD Rs,Rd | (Rs)+(Rd)→Rd |
算法左移 | SHL Rd | 2*(Rd)→Rd |
算术右移 | SHR Rd | (Rd)/2→Rd |
取数指令 | LOAD Rd,mem | (mem)→Rd |
存储指令 | STORE Rs,mem | (Rs)→mem |
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、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,并且同一寄存器的读和写操作不能再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指令段阻塞,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下表所示。
指令序列机器执行过程示意图:
时间单元 | ||||||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | |
I1 | IF | ID | EX | M | WB | |||||||||
I2 | IF | ID | EX | M | WB | |||||||||
I3 | IF | ID | EX | M | WB | |||||||||
I4 | IF | ID | EX | M | WB |
I1 LOAD R1, [a]
I2 LOAD R2, [b]
I3 ADD R1, R2
I4 STORE R2, [x]
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 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?要求模仿图 1 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。