校验码-体系结构-指令-流水线

校验码

码距：就单个编码A：00而言，其码距为1，因为其只需要改变一位就变成另一个编码。在两个编码中，从A码到B码转换所需要改变的位数称为码距，如A：00要转换为B：11，码距为2。一般来说，码距越大，越利于纠错和检错。

奇偶校验码：在编码中增加1位校验位来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或者偶数（偶校验），从而使码距变为2。例如：

奇校验：编码中，含有奇数个1，发送给接收方，接收方收到后，会计算收到的编码有多少个1，如果是奇数个。则无误，是偶数个，则有误。

偶校验：同理，只是编码中有偶数个1，由上述，奇偶校验只能检1位错，并且无法纠错。例如：

101110，如果用奇校验：需要+1使得101110中的1变为奇数个，填完完之后变为1011101。同理，

如果想要偶校验，则需要加0，因为原编码中1的个数已经为偶数个，添加完之后变为1011100。

CRC只能检错，不能纠错。使用CRC编码，需要先约定一个生成多项式G（x）。生成多项式的最高位和最低位必须是1.假设原始信息有m位，则对应多项式M（x）。生成校验码思想就是在原始信息位后追加若干校验位，使得追加的信息能被G（x）整除。接收方接收到带校验位的信息，然后用G（x）整除。余数为0，则没有错误；反之则发生错误。

海明码：本质也是利用奇偶性来检错和纠错的检验方法，构成方法是在数据位之间的确定位置上插入k个校验位，通过扩大码距实现检错和纠错。
设数据位是n位，校验码是k位，则n和k必须满足一下关系：2^k-1>=n+k。

例题：求信息1011的海明码

1. 校验位的位数和具体的数据位的位数之间的关系
   所有位都有编号，从最低位开始编号，从1开始递增，校验位处于2的n次方中，既处于第1,2,4,8,16,32……位上，其余位才能填充真正的数据位，若信息数据为1011，则可知，第1,2,4位为校验码，第3,5,6,7位为数据位，用来从低位开始存放1011，得到信息位和校验位分布如下：
   
2. 计算校验码
   将所有信息位的编号都拆分成二进制表示，
   7=2^2 + 2^1 + 2^0, 6=2^2 + 2^1, 5=2^2 + 2^0, 3=2^1 + 2^0
   综上，第7位数据位，7=4+2+1，表示7是由第4位校验码（r2）和第2位校验码（r1）和第1位校验码（r0）共同校验，同理，第6位数据位，6=4+2，第5位数据，5=4+1，第3位数据，3=2+1，由上可知，剩下的2的n次方位都是校验位，可知，第4位校验位校验第7、6、5三位数据位，因此，第4位校验位r2等于这三位数据的值异或（同0非1），剩下的也一样，由此得出校验位的数值：
   r2 = I4 + I3 + I2;
   r1 = I4 + I3 + I1;
   r0 = I4 + I2 + I1;
   得出校验位后，可知最终要发送的海明校验码为1010101。
3. 检错和纠错原理
   

• 例题：
  
  

体系结构的分类

按处理机的数量进行分类：单处理系统（一个处理单元和其他设备集成）、并行处理系统（两个以上的处理机互联）、分布式处理系统（物理上远距离且松耦合的多计算机系统）

Flynn分类法：分类有两个因素，即指令流和数据流，指令流由控制部分处理，每一个控制部分处理一条指令流，多指令流就有多个控制部分；数据流由处理器来处理，每一个处理器处理一条数据流。多数据流就有多个处理器；至于主存模块，是用来存储的，存储指令流或者数据流，因此，无论是多指令流还是多数据流，都需要多个主存模块来存储，对于主存模块，指令和数据都一样。

依据计算机特性，是由指令来控制数据的传输，因此，一条指令可以控制一条或多条数据流，但一条数据流不能被多条指令控制，否则会出错，就如同上级命令太多还互相冲突，不知道该执行哪个，因此多指令单数据MISD不可能。

指令系统

计算机指令的组成：一条指令由操作码和操作数两部分组成，操作码决定要完成的操作，操作数指参加运算的数据及其所在的单元地址。在计算机中，操作要求和操作数地址都由二进制数码表示，分别称为操作码和地址码，整条指令以二进制编码的形式存放在存储器中。

计算机指令执行过程：取指令——分析指令——执行指令三个步骤，首先将程序计数器PC中的指令地址取出，送入地址总线，CPU依据指令地址去内存中取出指令内容存入指令寄存器IR；而后由指令译码器进行分析，分析指令操作码；最后执行指令，取出指令执行所需的源操作数。

指令寻址方式
顺序寻址方式：当执行一段程序时，是一条指令接着一条指令的顺序执行。
跳跃寻址方式：当下一条指令的地址码不是由程序计数器给出，而是由本条指令直接给出。程序跳跃后，按新的指令地址开始顺序执行。因此，程序计数器的内容也必须相应改变，以便及时跟踪新的指令地址。

指令操作数的寻址方式
立即寻址方式：指令的地址码字段指出的不是地址，而是操作数本身。
直接寻址方式：在指令的地址字段中直接指出操作数在主存中的地址。
间接寻址方式：指令地址码字段所指向的存储单元中存储的是操作数的地址。
寄存器寻址方式：指令中的地址码是寄存器的编号。
基址寻址方式：将基址寄存器的内容加上指令中的形式地址而形成操作数的有效地址，其优点是可以扩大寻址能力。
变址寻址方式：变址寻址方式计算有效地址的方法与基址寻址方式很相似，它是将变址寄存器的内容加上指令中的形式地址而形成操作数的有效地址。

CISC是复杂指令系统，兼容性强，指令繁多，长度可变，由微程序实现。

RISC是精简指令系统，指令少，使用频率接近，主要依靠硬件实现（通用寄存器、硬布线逻辑控制）。

指令流水线原理：将指令分成不同段，每段由不同的部分去处理，因此可以产生叠加的效果，所有的部件去处理指令的不同段。

RISC中的流水线技术：

1. 超流水线技术。它通过细化流水、增加级数和提高主频，使得在每个机器周期内能完成一个甚至两个浮点数操作。其实质是以时间换取空间。
2. 超标量技术。它通过内装多条流水线来同时执行多个处理，其时钟频率虽然与一般流水接近，却有更小的CPI。其实质是以空间换取时间。
3. 超长指令字技术（VLIW）。VLIW和超标量都是20世纪80年代出现的概念，其共同点是要同时执行多条指令，其不同在于超标量依靠硬件来实现并行处理的调度，VLIM则充分发挥软件的作用，而使硬件简化，性能提高。

流水线时间计算
流水线周期：指令分成不同执行段，其中执行时间最长的段为流水线周期。
流水线执行时间：1条指令总执行时间+（总指令条数-1）* 流水线周期。
流水线吞吐率计算：吞吐率既单位时间内执行的指令条数。公式：指令条数/流水线执行时间。
流水线的加速比计算：加速比既使用流水线后的效率提升度，既比不使用流水线快了多少倍，越高表明流水线效率越高。公式：不使用流水线执行时间/使用流水线执行时间。