【软考】CPU、寻址、海明码、流水线

# 时钟周期
计算机操作的最小单元时间是：时钟周期

指令周期：一条指令从读取到执行完的全部时间。
指令周期分为不同阶段，每个阶段所需的时间又称 机器周期，又称 CPU 工作周期
一个指令周期 由 若干个 CPU 周期组成
一个 CPU 周期包含若干个 时钟周期

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# 寻址
计算机在直接寻址时，需要从内存读取操作数，要先将操作数的地址送到地址总线上

随机存储器 可以按 **地址** 访问存储器的任一单元
顺序存储器 访问时 按顺序查找目标地址
访问数据所需时间，跟 数据存储位置相关。

直接存储器按照数据块所在位置访问，介于 随机存储器 和 顺序存储器 之间，磁道寻址随机，磁道内寻址顺序。

相联存储器：按内容访问的存储器。把数据或数据的某一部分作为关键字，按顺序写入信息，读出时并行地将关键字与存储器中的每一单元进行比较，找出存储器中所有与关键字相同的数据字，特别适合于信息的检索和更新。

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# CPU PC
CPU 执行一条指令时，首先要完成的操作是：从内存中读取该指令的指令操作码。取该指令的指令操作码，首先要做的事：将程序计数器的内容送到地址寄存器：PC --> AR

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计算机类与鼠标类的关系是聚合关系

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双核处理器：一个处理器上集成两个运算核心，从而提高计算能力

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# 原码 反码 补码 阶码 移码
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尾数原码：0000000001，数符：0，表示：尾数是正数 为 2^-10
阶码：0001:， 是补码，转换成原码为 1111，是十进制的 15，阶符是 1，表示阶码为 负数
所以该浮点数为：2^-15 x 2^-10

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机器采用原码表示时，0 有两种编码方式：原码表示带符号的整数 0 有-0 和 +0
+0 反码：00000000，-0 反码：11111111
0 补码：00000000，补码没有-0 和 +0 之分

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在计算机的 CPU 中，通常只设置：硬件加法器。只有 **补码** 能够将减法转化为加法，蛄蛹硬件加法器可以比较方便地进行数字加减法

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由于正数的移码大于负数的移码，利用这一特点，移码被广泛用来表示浮点数阶码的数字编码，这可以用比较阶码的大小，来实现真值大小的比较

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定点小数表示中，只有 补码 能表示 -1

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根据补码规则，当 数符 与 尾数小数点后第一位 相异 时为规格化数

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# 海明码
海明码：
设校验位的位数为 k，数据位的位数为 n，海明码能纠正一位错应满足关系 2^k≥n+k+1
当 n=8 时，k至少 =4，才能符合要求

海明码在一个码组内，要检测 e 个误码，要求的最小码距 d 应满足：d ≥ e+1
海明码在一个码组内，要纠正 t 个误码，要求的最小码距 d 应满足：d ≥ 2t +1
同时 纠错验错 d 应满足：d ≥ e+t+1

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# 流水线
流水线：
每个功能段的时间设定为 取指、分析、执行，三部分的时间分别为：2ns、2ns、1ns。最长时间为 2ns，第一条指令在 5ns 时执行完毕，其余 99 条指令每隔 2ns 执行完一条，所以 100 条指令全部执行完需要：5+2x99=203ns

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# 寻址方式
1、立即寻址：操作数就包含在指令中，在形成指令的机器代码形成时，立即数就跟在指令操作码的后面，取出指令时即可得到操作数
2、直接寻址：操作数存放在内存单元中，指令中直接输出操作数所在存储单元的地址
3、寄存器寻址：操作数存放在某一寄存器中，指令中给出存放操作出的寄存器名

所以，立即寻址最快、寄存器寻址次之、直接寻址最慢

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# 冯诺依曼计算机特点
1、计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成
2、指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问
3、指令和数据均用二进制表示
4、指令由操作码、地址码两大部分组成
操作码：用来表示操作的性质、地址码：用来表示操作数在存储器中的位置
5、指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行
6、计算机以运算器为中心

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# 流水线
RISC：精简指令集计算机，Reduced Instruction Set Computer
指令尽量简单，让每条指令都能在一个时钟周期内完成
- 指令数量少、每条指令只做一件简单的事
- 指令长度固定，便于流水线处理
- 更多依赖编译器来优化，硬件设计更简洁
- 硬布线逻辑：用纯粹的数字电路（逻辑门、组合电路）直接产生控制信号
	- 指令进来 --> 电路直接输出控制信号
	- 没有中间层，速度极快
	- 但电路一旦设计好就固定了，不能修改
	- 因为 RISC 指令少且比较简单，所以电路规模还能接受

CISC：复杂指令集计算机，Complex Instruction Set Computer
用一条指令完成尽可能多的事情
- 指令数量多、功能强，单挑指令可以完成复杂操作，比如直接操作内存中的数据
- 指令长度不固定
- 硬件负责翻译复杂指令，编译器相对简单
- 在 CPU 内部存一张 “微程序表”，每条复杂指令对应一段微程序，由微程序来生成控制信号
	- 指令进来 --> 查 微程序表 --> 执行微程序 --> 输出控制信号
	- 多了一层 “查表” 过程，所以速度相对慢
	- 新增或修改指令只需要改微程序，灵活性高
	- CISC 指令复杂且多。用微码才能管理得过来

RSIC 和 CISC 都采用流水线技术

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传统机器级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序可以有微程序进行解释

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机器字长为 32 位，一个容量为 16MB 的存储器，CPU 按照半字寻址，其可寻址的单元数：

机器字长：32，半字：机器字长的一半 = 16 位 = 2 字节，存储器容量 16MB

存储器总位数：16MB = 16 x 2^20 x 8 bit

按半字（16bit）寻址 = 16 x 2^20 x 8 bit ➗️(16 bit)= 2^23