2012年流水线408大题

【知识回顾】

（1）“按序发射，按序完成”指要求下一条指令的取指阶段和上一条指令的译码阶段并行。

举例：如果下图第2条指令的reg和reg冲突所以要延迟3个周期，而第三条指令和前面的指令都无关，则其实可以【优化】——先执行第3条指令再执行第2条，而按序发射则不采用这类优化。

（2）数据Cahce和指令Cache分离后，在取指阶段可以在【指令Cache】中取指令，在访存阶段可以在【数据Cache】中取数据。在下一条指令取指时，上一条指令依然可以访问数据Cache取数据。

五段流水线——取指IF、译码/读寄存器ID、执行/计算有效地址EX、访存M、将结果写回寄存器WB。

（3）在使用指令流水线时，一般只用load和store指令访存（其他操作数都在寄存器中准备好——依靠load和store指令来把相应内存中data送到寄存器后，才会执行算术逻辑运算）。

注意每一段的结尾都有一个寄存器存放该段执行的结果——联系段与段间。

（4）ALU中有2种情况：

1）算术逻辑指令（操作数的运算）

2）load取数指令（因有不同的寻址方式，如相对寻址EA=(PC)+A需要计算有效地址EA）

（5）在M和WB之间的下方有一个小的暂存器——用来存放ALU的运算结果，在WB把该结果送回到访存ID阶段的通用寄存器。（涉及到数据冲突）。

【真题】

PS：此处的转发技术就是指【数据旁路】技术。

第一问：有符号数的算术右移

【解析】由于513的16位为0000 0010 0000 0000，

所以-513的补码为1111 1101 1111 1111，经过SHR算术右移1位后为

1111 1110 1111 1111B，即（R1）=FEFFH.

【注意】算术右移——符号位不变，其余右移，添1；左移添0.

第二问：流水线用时

【法一】每个时钟周期只能有一条指令进入流水线，从第5个时钟周期开始，每个时钟周期都会有一条指令执行完毕，因此至少需要4+（5-1）=8个时钟周期。

【法二】5+（4-1）=8个时钟周期。

第三问：数据相关

【解析】首先审清题：问的是I4的IF段，不要想当然是ID段。

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（写回寄存器后才算取好操作数），I3才能读寄存器内容，所以I3的ID段被阻塞（I3的ID段要同时满足在第一条和第二条的WB后）。

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。

（I3阻塞，相应数据留在IF段，如果此时I4进来了则后面的“暂存部件”会被I4覆盖。）

【注意】要求“按序发射，按序完成”，因此第2小问中下一条指令的IF必须和上一条指令的ID并行，以免因上一条指令发生冲突而导致下一条指令先执行完。

第四问：流水线

【注意】

1）ADD指令——(Rs)+(Rd)->Rd即将相加的结果送回Rd（后一个寄存器）中，所以在I5中STORE是将R2寄存器的内容存入内存。

2）如果先取操作数a再取操作数x则需要多花一个时间单元：

IF ID EX M WB （取操作数a）

    IF  ID EX M  WB  （取操作数x）

         IF                  ID EX M WB （对x乘2）

                              IF  EX。。。。

总结