7.真题

（1）①可见：通用寄存器（R0 - R3），PC

不可见：MAR，MDR，IR，T，移位寄存器

②在单总线结构下，总线只能在同一时刻提供一个输入，而ALU需要同时有两个输入，故需要将一个数据先输入到暂存寄存器中，然后通过暂存寄存器和总线各输入一个数据的方式满足ALU两个输入的要求

（2）①ALU支持七种操作，故需要至少3位的控制信号，即ALUop至少为3位

②SR支持三种操作，故需要至少2位的控制信号，即SRop至少为2位

（3）三态门：作用是控制移位寄存器和总线之间的数据通路是否连通

（4）①：控制移位寄存器和总线之间的数据通路是否连通

②：控制移位寄存器进行何种操作

③：控制ALU进行何种操作

⑤：控制T和总线之间的数据通路是否连通

⑧：控制MUX的0还是1端口选通

（5）取值阶段：（PC）→ MAR；M（MAR）→ MDR；（MDP）op→IR

PC + 2（指令字长为16位，按字节编码，故PC + "1" = PC + 2） ：PC先经过总线输入到T中，然后通过MUXop = 0使op = 0，再给ALU施加加法命令，得到PC + 2再输入回PC中

进行其他运算时，一个数据先放在T中，然后从T输入ALU，另一个数据经过多路选择器（MUXop = 1）输入ALU

⑥→⑨

⑦→④

（1）①寻址方式位分别为0/1：Md、Ms1、Ms2都为1bit

②寄存器有4个：Rd、Rs1、Rs2为2bit

③指令字长为16bit → OP = 16 - 3 * （1 + 2） = 7 → 最多可以定义 2 ^ 7 = 128条指令

（2）①OP为7bit，则操作码分别取后七位，最高位舍去：000 0001，000 0010，000 0011

②inc：0000 001（OP）0（直接寻址）01（R1）000 000（单地址指令）

shl：0000 010（OP）0（直接寻址）10（R2）0（直接寻址）01（R1）000（二地址指令）

sub：0000 011（OP）0（直接寻址）11（R3）1（间接寻址）01（R1）0（直接寻址）10（R2）

即0240H、0488H、06EA

（3）①取值阶段：((PC))→IR（即将PC所指的指令，取到IR中）；PC + "1"

第一步：PCout = 1，MARin = 1，Tin = 1，MEMop = read：PC中的数据输入到总线中，MAR和T同时读入PC的数据，并且对主存进行读操作（完成以PC值为地址取值，并PC+"1"做准备）

第二步：MUXop = 0，ALUop = add，SRop  = mov：T寄存器中的内容和MUX0端一起输入ALU的两端，同时将SR的操作设置为直送（实现PC + "1"）

第三步：SRout = 1，PCin = 1：将SR寄存器中的内容输出到总线中，并输入PC

第四部：MDRout = 1，IRin = 1：将从主存中取出的指令从MDR输入IR中

②执行阶段：shl R2，R1

第一步：R1out = 1，Tin = 1，ALUop = mova，SRop = left：先将R1寄存器中的数据经过总线输入到T寄存器中，给ALU一个直送的控制信号（即不对数据进行处理，因为题中的ALU没有左移功能），数据经过ALU到了SR后，SR对该数据进行左移处理

第二步：SRout = 1，R2in = 1：将SR中的数据经过总线输入R2寄存器中

执行阶段：sub R0、R2，R1

第一步：R1out = 1，MARin = 1，MEMop = read：寄存器间接寻址，将R1中的内容作作为地址，放入MAR中，再读取该地址的数据

第二步：R2out = 1，Tin = 1：将R2寄存器中的数据经过总线输入到T寄存器中（ALU的计算需要两个输入）

第三步：MDRout = 1，MUXop = 1，ALUop = sub，SRop = mov，SRout = 1，R0in =1：第一步根据R1地址从主存读入的数据存放在MDR中；MDR中的数据经过总线输入到MUX中，MUX的1端连通，故数据经过MUX和T寄存器中的数据一起输入ALU；给ALU一个sub控制信号，使其进行减法操作，结果输出到SR中；给SRmov的控制信号，使其不对数据进行任何处理，并通过总线输入到R0

C5：（R1）→ MAR        R1out，MARin        

C6：M（MAR）→ MDR        MemR，MDRinE

C7：（MDR）→ A        MDRout，Ain

C8：（R0）+（A）→ AC        R0out，ADD，Cin

C9：（AC）→ MDR        ACout，MDRin

C10：（MDR）→ M（MAR）        MemW，MDRoutE

（1）①16位定长指令字格式 + 下条指令地址为（PC）+ 2 ：按字节编址

②OFFSET用补码表示，8bit补码的表示范围为-128到+127，目标地址为2 * OFFSET，即OFFSET的值就代表其偏移的指令条数，而PC每次执行后会自动指向下一条指令，故最多可以向后偏移128 - 1 = 127条指令

（2）①NF = 1，则需要检查NF的值，而指令中NF的值为1，故需要发生转移，OFFSET的值为1110 0011，即E3H，负数符号扩展后为FFE3H，乘以二即左移1位 = FFC6H，故PC = 200CH + 0002H + FFC6H = 1FD4H

②CF = 1，则需要检查CF的值，而该指令中CF的值不为1，则不需要发生转移，故PC = 200CH + 0002H = 200EH

（3）无符号数比较小于等于即发生借位或者等于0，故检查CF和ZF，故C = 1，Z = 1 ，N = 0

（4）1.①中由OP、CF、ZF、NF、OFFSET组成，与指令的组成部分一致，故①是指令寄存器

2.每条指令的执行结果有两种：PC + 2和PC + 2 + OFFSET * 2，这两种结果的输出分别是多路选择器左端和右端的输出（通过IR寄存器C、Z、N位和标志寄存器输出的CF、ZF、NF相与得到多路选择器的控制信号，即选择多路选择器的哪个端口输出）：

右端：PC输出在加法器的右端，在经过加法器后，和加法器左端的2进行加法操作，得到PC + 2

故右端的输出为PC + 2 + OFFSET * 2：在经过③前已经得到了PC + 2，还需要OFFSET * 2，故②为移位寄存器，实现移位操作，即通过左移得到OFFSET * 2；③为加法器，实现PC + 2和OFFSET * 2的相加，得到左端的最终输出PC + 2 + OFFSET * 2

①（R2）<< 2 → R4：R2寄存器中存放的是变量i，变量i左移2位，即变量i = i * 4，再将结果放回R4中；该指令的作用是得到A[i]的相对于A[0]的地址偏移量；从此处可知，数组A的每个元素的单位大小为4B

②（R4）+（R3）→ R4：R3寄存器存放的是数组A的首地址，R4寄存器存放的是A[i]地址相对于数组A的首地址的偏移量，两者相加得到A[i]的地址；A[i] = 始址 + 下标 * 元素大小

③（（R4）+ 0）→ R5：R4寄存器存放的是A[i]的地址，根据此地址从主存中取出数据，即取出数组A的第i个元素放入R5中

④（R1）+（R5）→ R1：R1寄存器存放的是当前A数组前i - 1个元素总和的变量sum，R1 + R5得到数组A前i个元素的和，并结果放回R1中，即完成sum += A[i]

⑤（R2）+ 1 → R2：R2寄存器存放的是每轮i的取值，即完成i++

⑥if（R2）! = （R6）goto loop：R6寄存器存放的是变量N，即判断R2和R6是否满足循环结束的条件，若不满足，则跳转回LOOP处执行指令；若满足则，顺序执行指令，即实现for循环

（1）每行的机器代码是4B，每行指令地址相差4，故编制单位为字节

（2）①②③的作用是得到A[i]的地址，在①中i左移两位即i = i * 4，说明每个元素占用4B

（3）①bne指令为1446 FFFAH，根据指令格式可知末尾2B为OFFSET，FFFA = -6，即该指令实现向后偏移6个单位

②根据bne指令的地址0804 8114H和LOOP地址0804 8100H对比可知，该OFFSET的单位并不是字节，而

③oop指令和bne指令相差5个指令，PC在执行bne指令时实现PC + “1”，即指向bne的下条指令，故执行bne指令时，loop的地址和PC的值相差6个指令，满足向后偏移6个单位，可知OFFSET的单位是指令字长

④得到bne指令的转移目标地址计算公式：PC + 4 + （OFFSET * 4）：：PC + 4实现指向PC + "1"，OFFSET * 4表示按指令字长为单位进行偏移

（4）①（R2）<< 2 → R4：结果写回R4

②（R4）+（R3）→ R4：①写入R4，②读出R4，但②是①的相邻第一条指令，数据冒险

③（（R4））+ 0 → R5：②写入R4，③读出R4，但③是②的相邻第一条指令，数据冒险

④（R1）+（R5）→ R1：③写入R5，④读出R5，但④是③的相邻第一条指令，数据冒险

⑤（R2）+ 1 → R2：①写入R2，⑤读出R2，⑤不是①的相邻三条指令其中之一，不会数据冒险

⑥if（R2）!= （R6）goto loop：⑤写入R2，⑥读出R2，但⑥是⑤的相邻指令，数据冒险

故②③④⑥发生数据冒险

⑥只有转移指令才会发生控制冒险，只有⑥为条件转移指令，故⑥发生控制冒险

分支指令（bxxx，ARM架构下的条件转移指令）的执行均引起3个时钟周期（停三个时钟周期）的阻塞，故执行⑥后，将会阻塞三个时钟周期，而不管是有条件转移指令还是无条件转移指令，至多只需要停三个时钟周期就不会发生阻塞，满足不阻塞条件

（5）①loop指令可以完整的执行IF、ID、EX、M、WB五个周期（第一条指令）

②add指令的IF阶段因为loop指令并不是条件转移指令，故不会发生控制冒险，即PC发生除+"1"外的改变，可以正常执行IF阶段；ID阶段需要取出R4的内容，但是loop指令在WB阶段会改变R4的内容，因此需要等待直到loop执行执行完WB阶段add指令才能继续执行ID阶段；EX、M、WB阶段按顺序执行

③load指令的IF阶段因为在第三个机器周期时，add指令并没有入时进入ID阶段，故IF阶段的IR寄存器中存放的是待进入ID阶段的add指令，如果此时load指令进入IF阶段，则将会覆盖IR寄存器中的add指令，因此load指令需要等待add指令进入ID阶段后，才能进入自己的IF阶段；同理②，load指令也需要等待add完成WB阶段后，才能进入ID阶段

④同理③，add指令需要等待load指令进入ID阶段才能进入自己的IF阶段；add指令需要等待load指令完成WB阶段才能进入自己的ID阶段；

⑤add指令需要等待add指令进入ID阶段才能进入自己的IF阶段；但其ID阶段并不会产生数据冒险，故可以顺序执行

⑥add指令可以顺序执行IF、ID，故bne指令可以在add指令执行完IF的下一个时钟周期执行自己的IF阶段，在执行IF阶段时，计算机只是完成了取指令的操作，并不知道当前取的指令是条件转移指令；其ID阶段需要等待add指令的WB阶段完成才能开始（数据冒险），在执行ID阶段时，计算机知道当前执行的是条件转移指令，根据题目所给的条件，执行分支指令时，阻塞三个时钟周期，故ID阶段开始阻塞三个时钟周期；bne指令的第四个周期（M）可能会修改自己的PC值，下条指令开始前，通过阻塞三个时钟周期的方式，已经执行了bne指令的M阶段，故不会引起控制冒险