【旧文重发 | 02】IC基础知识

[21] 什么是竞争？什么时候会出现？如何避免？

当输出取决于不同信号的顺序或者时序时，被称为竞争。竞争可以分为两种

1. 实际的硬件中的竞争
2. 仿真行为中的竞争

实际硬件中的竞争：以SR锁存器为例，当SR都是1的时候，输出为1，此时如果SR同时变成0，那么Q和Q'就会进入竞争的情况。可以通过添加合适的逻辑避免。

仿真行为中的竞争：例如下面的代码

always @(posedge clk or posedge reset)
    if (reset) X1 = 0; // reset
    else X1 = X2;
always @(posedge clk or posedge reset)
    if (reset) X2 = 1; // reset
    else X2 = X1;

由于使用了阻塞赋值，便会发生竞争的情况，通过改为非阻塞赋值可以解决

[22] 用2:1mux实现D触发器

[23] 用D触发器实现T触发器

T触发器，T为0时输出不变，1时翻转。写出真值表就能看出来，将输入和Q异或再输入到D端。

[24] 用JK触发器实现D触发器

J=D，K=D'

[25] 行波进位加法器和超前进位加法器的区别是？

行波进位加法器：

结构类似于我们拿笔在纸上做加法的方法。从最低位开始做加法，将进位结果送到下一级做和。由于本级的求和需要等待前一级的进位结果才可以得到，所以对于两个N-bit的求和。即使有N个一位的全加器，也需要N个延迟。超前进位加法器：

事实上，在以下两种情况中，Ci=1：

1. Ai和Bi都为1
2. Ai和Bi有一个为1，且Ci-1为1

其对应的表达式为

递归后

可以看出每一级的进位信号可以不通过上一级的结果产生，只与输入有关系。因此减少了时间。

[26] 实现一个32bit寄存器需要几个flip-flop？

一个FF存储一bit信息，因此需要32个FF。

[27] mealy型FSM和moore型FSM有什么区别？

mealy型FSM的输出和当前的状态以及当前的输入有关系。

moore型FSM的输出只和当前的状态有关系。

[28] 九个状态的记录最少需要几个FF？

2^3 < 9 < 2^4，因此是4个

[29] 使用尽可能少的DFF实现二分频和四分频

二分频：

四分频：

Computer Architecture

[30] RISC和CISC的区别是什么？

• RSIC：精简指令集。CISC：复杂指令集
• RISC结构具有比较少的指令，这些指令是简单的指令（固定长度的指令和较少的寻址模式）。CISC结构具有更多的指令，更加复杂，可变长度指令和更加多的寻址方式
• RISC具有较小的指令，硬件上相对没有那么复杂。CISC使用更加复杂的硬件来解码和分解复杂的指令。因此RISC更加侧重软件，CSIC更加侧重硬件
• CISC具有更加复杂的指令，因此可以使用更加少的RAM来存储编程指令。相对的，RISC需要更加多的RAM来存储指令
• RISC的指令通常需要一个周期完成，而CISC可以能需要多个周期才能完成，具体取决于指令的复杂性。因此在RISC中可以进行流水线化。
• RISC通过减少每条指令的周期数来提高性能，而CISC通过减少每条程序的指令数来提高性能。CISC支持单条指令完成从内存读取，执行操作，写回内存的操作（mem2mem操作）。而RISC完成则需要三个指令。

[31] 冯诺依曼结构和哈佛结构有什么区别？

• 冯诺依曼结构中，指令和数据存储在同一个存储器中。CPU读取数据和指令使用同一条总线，具有存储数据和指令的统一缓存。
• 哈佛结构中，数据和指令是分开存储的，可以使用两条不同的总线同时访问数据和指令，指令和数据都具有单独的缓存。

[32] 解释内存存储中的Little Endian 和 Big Endian的概念

字节顺序是指字节在内存中的存储顺序。数据在内存中通常是按照字节寻址的，但是大多数计算即通常采用32位（4个字节）存储操作数的。因此，为了将一个字节存在存储器中，由两种方式：

1. 高字节存在低地址中，这称之为Big Endian
2. 低字节存在低地址中，这称之为Little Endian

例如，当cpu向地址0x1000中写入0xDDCCBBAA时，两种方式就会出现差异

[33] SRAM和DRAM的区别是什么？

DRAM：Dynamic Random Access Memory。动态随机存储，数据以电荷的形式存储，每个存储单元是由晶体管和电容组成的，数据存在电容中。DRAM是易失性设备，电容会因为漏电而流失电荷，所以需要定时刷新。

SRAM：Static Random Access Memory。静态随机存储，不需要属性，只需要电源即可，SRAM的存储单元由六个晶体管组成，因此与DRAM相比，占用面积更加多。

SRAM速度快，成本搞，常用于高速缓存。DRAM密度小，速度慢，常用于主存储器

[34] 对于256KB的内存，如果按字节寻址，需要多少位的地址线？

256KB=2^8*2^10Bytes，需要18位地址线

[35] CPU中不同类型的寄存器有什么区别？

• Program Counter (PC)：保存当前正在执行的指令的地址
• Instruction Register (IR)：保存当前正在执行的指令的寄存器。（PC所指向的地址上的值）
• General Purpose Registers：通用寄存器是用于存储程序所需要的数据，通用寄存器的数量由体系结构定义，并可以由软件用于运行期间零是存储数据。
• Stack Pointer Register (SP)：堆栈指针寄存器用于存储压入队长的最新数据的地址。常见的用途是存储子函数调用时的返回地址。

[36] 解释计算机架构中的流水线

流水线技术是在单个处理器中实现指令集并行的技术。将基本的指令周期拆分为多个阶段，无需等待每条指令完成，并行执行不同的步骤，在一条指令结束之前开始下一条指令。流水线能投提高指令的吞吐率，但是并不能减小指令的指令时间。

[37] 什么是pipeline hazard？处理器中有几种pipeline hazard？

pipeline hazard是指由于某些原因下一条指令无法执行的情况。有三种类型的hazard：

1. Structural Hazards：由于硬件资源不足产生的。比如如果设计结构中只有一个浮点执行单元，每次执行都需要两个周期的时间，那么当程序中出现背靠背的浮点指令时会导致流水线停止。除此之外内存和缓存的访问也会导致Structural Hazards
2. Data Hazards：由于前后指令数据的依赖性而造成的hazard

• A、RAW：先读后写register，ture data dependence
• B、WAW：先写后写register，output data dependence
• C、WAR：先写后读register， anti-data dependence

1. Control Hazards：当碰到跳转指令时，processor会stall一个cycle。因为processor在处理指令时会分两个stage：取指令和解码指令。当一条指令进入到解码阶段时，才会被发现需要跳转，所以在取指令阶段 的那条指令会被废掉，故浪费掉一个cycle。

[38] 如何避免三种pipeline hazard？

1. Structural Hazards：将一个function unit切分成更小的stage或对设计相同功能的硬件等，总之，就是让硬件资源够用。
2. Data Hazards：A情况是真正的数据依赖，会产生hazard，可以用forwarding技术来减少或消除它；而B和C是在当指令顺序被compiler或者是硬件调整后才会出现的数据依赖。如果出现了B和C的情况，可以有一种技术来消除它，叫做register renaming。
3. Control Hazards：可以在program中加入likely（）or unlikely（）来帮助compiler预测taken or not taken的可能性。另外，compiler可以通过delayed-branch的技术来消除branch hazard，但是该技术很少用在很长的pipeline中。最后，可以通过硬件的技术消除Brach hazard。以上的技术都是compiler或hardware的技术，programmer可以不关心，但好的if语句应该 如下：

if（unlikely（condition））  
{  
 几率小  
}  
else  
{  
 几率大  
}  
注意：将几率大的语句放在not taken下面，将几率小的语句放在taken下，这样会节省4个
cycle左右（由pipeline的深度决定）。另外，还有一种写法就是将unlikely改为likely，将几率大的和几率小的对调，这种方法比第一种方法要慢或持平（至于原因有compiler的原因，有pipeline的原因，所以它依赖于compiler和chip的设计）。

[39] 如果一个流水线由十个阶段，每个阶段需要1ns执行。假设没有hazards，那么处理100个数据需要多久？

第一个数据需要10ns完成，此后1ns完成一个数据的处理，因此总时间位10+99=109ns

[40] 指令有多少种寻址方式？

1. 立即数寻址，操作数作为指令的一部分

add r0 r1 0x12 将r1+0x12的结果存在r1

1. 直接寻址，操作数的地址直接出现在指令中

load r0 0x10000 将地址0x10000的数据存到r0中

1. 寄存器寻址，操作数被存在寄存器中，寄存器的名字出现在指令中

mul r0, r1 , r2 将r1*r2的结果存在r0中

1. 偏移量寻址，操作数的地址由一个寄存器的数据加上一个立即数的偏移量得到

load r0 r1 offset r1包含了及地址，r1+offset才是真实的地址