计算机体系结构面经

架构

说下 RISCV 指令怎么运行的？

• 取指 IF
• 解码 ID
• 执行 EX
• 访存 MEM
• 写回 WB

CPU内部结构

• ALU
• Control Unit
• Reg
• Cache
• 总线接口单元

一个 rv 的 add 在 EX 阶段是怎样的？

Draft

• 获取操作数
• ALU 执行加法运算
• 更新状态

流水线怎么处理前后相关性指令？

Ai

• Data Hazards: 后一条依赖前一条的结果
  • Read after Write: 后一条指令需要读取前一条指令写入的值
    • 数据转发（Forwarding）：通过直接将结果从执行阶段或写回阶段转发回 ALU 输入，避免等待写回到寄存器。
    • 插入气泡（Stalling）：在流水线中插入空操作，延迟后续指令的执行，以等待前一指令完成。
  • Write after Write: 两条指令对同一寄存器进行写操作
    • 顺序执行：控制器确保写操作按照程序顺序执行，避免后续指令覆盖前一指令的结果。
  • Write after Read: 后一条指令在前一条指令读取寄存器之前对其进行写操作
    • 硬件设计确保不会发生
• Control Hazards
  • 分支预测：预测分支的结果，提前加载可能的指令。
  • 延迟槽：在分支指令后插入无关指令，以填补延迟。
  • 气泡插入：在分支决定后插入气泡，直到确定分支目标。

流水线冒险是什么？

流水线

经典流水线的弊端是由于流水线是静态调度且不能投机（Speculative），指令执行非独立。当遇到某种情况需要停机（Stall）时被称为流水线冒险（Pipelining Hazards）

• 数据冒险 / Data Hazard
• 控制冒险 / Control Hazard
• 结构冒险 / Structure Hazard
• 内存访问延迟

CPU 如何计算 IEEE 754 加法

IEEE754 浮点数

Ai

IEEE 754浮点数加法的计算过程可以分为以下几个步骤：

1. 表示法

IEEE 754浮点数通常由三个部分组成：

• 符号位 (S): 1 位，表示正负。
• 指数 (E): 8 位（单精度）或 11 位（双精度），表示指数的偏移值。
• 尾数 (M): 23 位（单精度）或 52 位（双精度），表示有效数字。

2. 对齐指数

在进行加法之前，需要将两个浮点数的指数对齐：

• 找到两个数中较大的指数，将较小指数的尾数右移，以补偿指数差。
• 右移后，尾数可能会丢失精度。

3. 加法

• 对齐后，两个尾数进行加法。如果符号位不同，则进行减法。
• 结果可能需要进行归一化处理（即调整尾数，使其在有效范围内）。

4. 归一化

• 计算完后，如果尾数超出范围（例如，变成 1.0 或更大），则需要右移尾数并增加指数。
• 如果尾数小于 1，则需要左移尾数并减少指数。

5. 舍入

根据IEEE 754标准，结果需要进行舍入处理，以保证精度。常见的舍入方式包括：

• 向最近的偶数舍入
• 向上舍入
• 向下舍入

6. 输出结果

最后，根据处理后的符号、指数和尾数生成新的IEEE 754浮点数，并输出。

示例

假设我们要加两个浮点数 A 和 B：

• A = 1.5 (符号位：0, 指数：01111111, 尾数：10000000000000000000000)

• B = -0.5 (符号位：1, 指数：01111110, 尾数：00000000000000000000000)

1. 对齐指数：将 B 的尾数右移。
2. 进行加法：根据符号位进行相应的运算。
3. 归一化处理。
4. 舍入并输出结果。

这个过程确保了浮点数加法的准确性和符合IEEE 754标准。

Cache

结构

• Cache 结构：
• Cache 内部：Cache Line 结构：

访问

Cache 如何判断是否命中？

• 地址分解：标签（Tag），索引（Index），偏移（Offset）
• 查找缓存：
  • 根据索引部分找到对应的缓存行，然后检查该行的标签是否与内存地址中的标签匹配。
  • 如果标签匹配，则称为“命中”（Hit）；如果不匹配，则称为“未命中”（Miss）

缓存一致性问题

缓存一致性 一致性

Write Through 和 Write Back 以及广播机制

• Write Through / 写直达 ：把数据同时写入内存和 Cache 中
  • 检查若在 CPU Cache 则同时写入
  • 每次都写到内存
• Write Back / 写回 ：减少数据写回内存的频率，只有当修改过的 Cache Block「被替换」时才写到内存中
  • 若对应存在于 CPU Cache 则写到 Cache，并标记为 Dirty，即缓存与内存不一致
  • 若对应的 Cache Block 里存放的是「别的内存地址的数据」，则需要替换
    • 若其为 Dirty，则说明存在不一致，需要先将其写回内存；若其非 Dirty，则说明一致。
    • 由于 缓存一致性以及修改写入的大小与 Cache Line 大小可能不相同 的问题，我们接下来需要从内存读取当前整个的数据到 Cache Block
    • 接下来再执行写入 Cache Block，并标记为 Dirty

对于不同核心等之间保证同步，需要 广播

• Write Propagation / 写传播 ：缓存更新需要传播到其他核心的 Cache
  • 总线嗅探
• Transaction Serialization / 事务的串行化 ：操作顺序需要一致
  • MESI 协议

总线嗅探与 MESI

• Bus Snooping / 总线嗅探 ：通过总线把这个事件广播通知给其他所有的核心
• MESI
  • 标记 Cache Line 状态，先询问+修改标记再更新数据
  • 状态
    • Modified：等价于 Dirty，更新但未写入内存；更新于广播修改之后，实际修改时
    • Exclusive：干净，只存储在一个 CPU 核心的 Cache 里，自由写入；更新于读取到内存中不存在的新数据时
    • Shared：干净，多个 CPU 核心的 Cache 里都有，更新需要广播；更新于读取到别人独占的数据时
    • Invalidated：失效，不可读取；更新于收到别人更新的广播时
  • 状态图

Misc

嵌入式

波特率是什么，为什么双方波特率要相同，高低波特率有什么区别

波特率 是 每秒钟信号变化的次数，用于描述 串行通信 中传输速度的一个单位。

如果两者的波特率不同，接收方会错误地解释信号，导致数据丢失、数据错误或者完全无法接收数据。