题目

某程序中有如下循环代码段 P：“for (int i=0; i＜N; i++) sum += A[i];”。假设编译时变量 sum 和 i 分别分配在寄存器 R1 和 R2 中。常量 N 在寄存器 R6 中，数组 A 的首地址在寄存器 R3 中。程序段 P 起始地址为 08048100H，对应的汇编代码和机器代码如下表所示。

编号	地址	机器代码	汇编代码	注释
1	08048100H	00022080H	loop: sll R4, R2, 2	(R2)<<2 → R4
2	08048104H	00083020H	add R4, R4, R3	(R4) + (R3) → R4
3	08048108H	8C850000H	load R5, 0(R4)	((R4) + 0) → R5
4	0804810CH	00250820H	add R1, R1, R5	(R1) + (R5) → R1
5	08048110H	20420001H	add R2, R2, 1	(R2) + 1 → R2
6	08048114H	1446FFFAH	bne R2, R6, loop	if (R2)≠(R6) goto loop

执行上述代码的计算机 M 采用 32 位定长指令字，其中分支指令 bne 采用如下格式：

Op 为操作码，Rs 和 Rd 为寄存器编号，OFFSET 为偏移量，用补码表示。请回答下列问题，并说明理由。

(1) M 的存储器编址单位是什么？

(2) 已知 sll 指令实现左移功能，数组 A 中每个元素占多少位？

(3) 题 44 表中 bne 指令的 OFFSET 字段的值是多少？已知 bne 指令采用相对寻址方式，当前 PC 内容为 bne 指令地址，通过分析题 44 表中指令地址和 bne 指令内容，推断出 bne 指令的转移目标地址计算公式。

(4) 若 M 采用如下“按序发射、按序完成”的 5 级指令流水线：IF（取指）、ID（译码及取数）、EXE（执行）、MEM（访存）、WB（写回寄存器），且硬件不采取任何转发措施，分支指令的执行均引起 3 个时钟周期阻塞，则 P 中那些指令的执行会由于数据相关而发生流水线阻塞？哪条指令的执行会发生控制冒险？为什么指令 1 的执行不会因为与指令 5 的数据相关而发生阻塞？

解析

本题把 指令格式 + 编址单位 + 相对寻址 + 流水线冒险 4 块知识串到一个 MIPS 风格的循环上。整体思路：

• 由相邻指令地址差倒推编址单位（与 CPI 无关）；
• sll 指令的左移位数告诉我们数组元素的字宽；
• bne 是相对寻址，要把 PC 自增、OFFSET 符号扩展、再乘 4 算到字节单位上；
• 数据冒险逐条排查，分支冒险是结构性的（fetch 时还不知道目标）。

(1) 存储器编址单位 [2 分]

计算机 M 是 32 位定长指令字，每条指令 4B。题表中相邻指令地址差：

4 个地址单位刚好对应 4B → 每个地址单位 = 1B → 按字节编址。

(2) 数组 A 中每个元素的位数 [2 分]

指令 1 是 sll R4, R2, 2，把循环变量 i（在 R2）左移 2 位 → 乘以 4 → 写入 R4 作为偏移；指令 2 把这个偏移加上数组首地址 R3，得到 &A[i]。

也就是说："i 增 1 → 偏移地址增 4 字节"——数组每个元素占 4 字节。配合按字节编址：

(3) bne 的 OFFSET 字段与目标地址公式 [3 分]

Step 1. 提取 OFFSET。

bne 机器码 = 1446 FFFAH = 0001 0100 0100 0110 1111 1111 1111 1010B。指令格式中低 16 位是 OFFSET：

按 16 位补码解读：FFFAH 取反 +1 = 0006H → OFFSET = −6。

Step 2. 反推目标地址公式。

bne 自身在 08048114H，其要跳到 08048100H（loop 标签）。fetch 完 bne 后 PC 自动 + 4：

目标与 PC（取指后）之差：

OFFSET = −6 而真实字节位移 = −24，比例 4 倍 → OFFSET 以"指令字"为单位，要 ×4 才是字节单位：

编者注（生僻术语）： 这是 MIPS 风格的"PC-相对、字对齐"寻址。指令 4B 对齐意味着字节位移的最低 2 位永远是 0，索性在指令编码层面省掉 → OFFSET 用作"指令数偏移"，硬件再左移 2 位（×4）。代价是 OFFSET 寻址范围 ×4，扩展到 ±128KB。

(4) 流水线阻塞分析 [4 分]

逐条排查数据相关：

指令	读寄存器	写寄存器	数据相关源	是否阻塞
1 sll R4, R2, 2	R2	R4	—	否
2 add R4, R4, R3	R4, R3	R4	R4 来自 I1	✅ 阻塞
3 load R5, 0(R4)	R4	R5	R4 来自 I2	✅ 阻塞
4 add R1, R1, R5	R1, R5	R1	R5 来自 I3	✅ 阻塞
5 add R2, R2, 1	R2	R2	—	否
6 bne R2, R6	R2, R6	—	R2 来自 I5	✅ 阻塞

故数据相关阻塞发生在第 2、3、4、6 条指令。

控制冒险：

第 6 条 bne 是分支指令，在 IF 之后需要等到执行结果（决定跳还是不跳）才能确定下一条指令地址 → 第 6 条引起 3 个周期的控制冒险。

为什么 I1（下一轮）不会因为 I5 阻塞？

跨循环考虑：上一轮的 I5 写 R2，下一轮的 I1 读 R2，看似数据相关。但夹在它们之间的 I6（bne）已经引起了 3 个周期的控制冒险阻塞——这 3 个周期足够让 I5 的 WB 完成，等下一轮 I1 进入 ID 时 R2 早已写完。

易错点： 别混淆"数据冒险阻塞数"和"控制冒险阻塞数"。本题说"分支指令引起 3 个周期阻塞"，这是控制冒险（因为不知道下一条指令地址），与数据冒险（无转发时通常 3 周期）刚好匹配——所以本题里"控制冒险" oneself 同时也覆盖掉了 I5 → I1 的潜在数据冒险。

【评分说明】若考生回答"因为指令 1 和 2、2 和 3、3 和 4、5 和 6 发生数据相关，发生阻塞的指令为第 2、3、4、6 条"，同样给 3 分。答对 3 个以上给 3 分，部分正确酌情给分。