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。) 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,并且同一寄存器的读和写操作不能在同一个时钟周期内进行,若在某个时间段中,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?
时间: 2024-04-04 10:34:01 浏览: 29
这是一道比较复杂的计算机组成原理问题,需要结合指令格式、流水线结构和时序分析进行计算。下面是详细的解题步骤:
1. 根据指令格式,可以发现这个计算机的指令系统中有三种类型的指令:R 型指令、I 型指令和 J 型指令。其中,R 型指令和 I 型指令都需要进行读寄存器操作,而 J 型指令不需要。
2. 根据流水线结构,可以将 5 个流水段的操作分别列出来,并根据指令类型确定需要进行的操作,如下所示:
IF:取指令;
ID:译码和读寄存器(R 型和 I 型指令需要);
EX:计算有效地址(I 型指令需要)和执行(R 型指令需要);
M:访问存储器(I 型指令需要);
WB:写回寄存器。
3. 根据“按序发射,按序完成”的流水线方式,可以发现在同一时刻只能有一条指令在同一流水段中执行,而同一寄存器的读和写操作不能在同一时钟周期内进行,因此需要考虑数据相关的情况。
4. 假设有连续的 4 条指令进入流水线,它们分别为指令 1、指令 2、指令 3 和指令 4。在执行过程中,需要考虑以下数据相关情况:
指令 2 的读寄存器操作需要等到指令 1 的写回寄存器操作完成后才能进行;
指令 3 的读寄存器操作需要等到指令 2 的写回寄存器操作完成后才能进行;
指令 4 的读寄存器操作需要等到指令 3 的写回寄存器操作完成后才能进行。
5. 根据上述数据相关情况,可以得出每个流水段需要的时钟周期数,并计算出执行这 4 条指令所需的总时钟周期数,如下所示:
IF:4 个时钟周期;
ID:指令 1 和指令 2 需要 2 个时钟周期,指令 3 和指令 4 需要 1 个时钟周期;
EX:指令 1 和指令 3 需要 1 个时钟周期,指令 2 和指令 4 需要 2 个时钟周期;
M:指令 2 和指令 3 都需要 1 个时钟周期;
WB:指令 1 和指令 3 需要 1 个时钟周期,指令 2 和指令 4 需要 2 个时钟周期。
总时钟周期数 = IF + max(ID) + max(EX) + max(M) + max(WB) = 4 + 2 + 2 + 1 + 2 = 11。
因此,执行这 4 条指令所需的时钟周期数为 11 个。