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计算机系统原理_计算机组成原理左归右归

作者：菜鸟追梦旅行 | 2024-03-20 09:38:38

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计算机组成原理左归右归

数据存储

1b(bit)是一个二进制位，值为0/1
1B(byte)是一个字节，=8b
一般都至少以B为单位

单位	n(2^10*n字节/单位)
KB	1
MB	2
GB	3
TB	4
不常用
PB	5
EB	6
ZB	7
YB	8

进制(2/8/10/16)

用于数字的计算和表示,n进制表示满n进1

进制	用表示的字符集	识别前缀
2	[0-1]
8	[0-7]	0
10	[0-9]
16	[0-9],[a-f] (a-f分别表示10-15，字母大小写均可)	0x，大小写均可

比如 0x12
表示16进制数12
10进制值为18

原码/反码/补码

以32位数举例
符号位：0位正，1位负
原码：第一位符号位，后面31位表示绝对值大小
反码：在原码基础上，如果是负数，后面31位取反
补码：在反码基础上，如果是负数，+1
一组相反数，两数相加会最终导致溢出(原来的32位全为0，最前面溢出一个1)，最终结果（取32位）是0
一般的数全都用补码表示（在正数范围内。原码与反码一样），这样就很方便地将减法变成加法

一个正数变负数（x->-x），以32为为例，有3种方法，第一种最方便理解；第二种最快&最简单使用；第三种最原始但慢

负数(-x)的机器数等于2^32-正数(x)
x的机器数从右向左，找到第一个1，这个1左边的未全部取反
按照原码->反码->补码的顺序算

数的表示

有符号数均用补码表示

字符/指针

字符 16b有符号数
指针无符号数（位数取决于机器是多少位）

整数

整数的大小用补码表示

类型	含义
short	（有符号）短整数，16b
unsigned int	无符号短整数，16b
int	整数，32b
unsigned int	无符号整数，32b
long long	长整数，64b
unsigned long long	无符号长整数，64b

浮点数(float/double)

使用IEEE754标准，
float32b，double64b

类型	符号/阶码/位数
float	1/8/21
double	1/11/52

数= +/- 1.尾数*2^阶码
尾数为2进制无符号整数（可以通过10进制的0.xxx *2取整获得），最后有多余则进1
阶码为有符号整数

整数的输入与转换

C90/C99

数值范围	C90	C99
0~2 ^ 31-1	int	int
2^31 ~ 2^32-1	unsigned int	long long
2^32 ~ 2^63-1	long long	long long
2^63 ~ 2^64-1	unsigned long long	unsigned long long

解析

先将数拿进来，不看前面的符号（即看它的绝对值）给一个类型，再看符号对机器数进行一定规则的转换（主要是正变负）
按照不同的C语言标准

整数类型转换

位截断/位扩展(位数不同)

位截断：比如64位数转成32位数，就是很粗暴地把前面不需要的扔掉

位扩展：把32位数转成64位数，分为 0扩展和符号扩展
有符号数采用符号扩展：前面多出来的位补符号位
无符号数采用0扩展：前面多出来的位补0

位数相同，有无符号不同

直接将机器码copy过去

计算时的统一类型

尾数短->长
符号有->无
精度小->大，（能表示的最小的整数越小，精度越大）

比如 2147483647>-2147483648 (C90)的值为false
因为 2147483648被理解为unsigned int，机器数为（10…），
再看前面的负号，机器数改变后还和之前一样
而比较时，类型会统一为unsigned int，左边的那个数机器码不变，（
按无符号数比较）左边(01…)明显<右边(10…)

float与int都是32位，
float转int时会丢失精度（小数位丢失）
int能表示的最大的数比float大

浮点数运算

加减

对阶（小阶对大阶）

提出那个阶数比较大的那个
目的：使两个（每个）浮点数的较大的整数部分为1

左归/右归

左归：数相对小数点向左移，次数-1
右归：数相对小数点向右移，次数+1
目的：保持整数位为1，方面再次表示为浮点数

乘除（较复杂，忽略）

指令集架构(ISA)

生成机器代码步骤

使用gcc，可以直接一步完成（gcc 文件名 -o 目标文件名）
也可以分步来（当不写命令选项时，直接将后续的步骤都做了）
命令格式：gcc -命令选项文件名 -o 目标文件名
一开始的文件（.c）
第几步 -命令选项目标文件格式详细

(-E -i)预处理：处理#开头的语句（#include，#define）
(-S -s)编译：生成汇编语言程序
(-c -o) 汇编：生成可重定位文件（二进制）
(无命令选项文件无后缀)连接（包括符号解析和重定位）：生成可执行文件（二进制）

寄存器

寄存器	名称	大小/内部结构

通用寄存器		32b
EAX	累加器	AX:低16b(AH:高8b;AL:低8b)
EBX	基址寄存器	BX:低16b(BH:高8b;BL:低8b)
ECX	计数寄存器	CX:低16b(CH:高8b;CL:低8b)
EDX	数据寄存器	DX:低16b(DH:高8b;DL:低8b)
ESP	（栈顶）栈指针寄存器	SP:低16b
EBP	（栈底）基址指针寄存器	BP:低16b
ESI	源变址寄存器	SI:低16b
EDI	目标变址寄存器	DI:低16b

专用寄存器		32b
EIP	指令指针寄存器	IP:低16b
EFLAGS	标志寄存器	FLAGS:低16b

段寄存器		16b
CS	代码段
SS	堆栈段
DS	数据段
ES	附加段
FS	附加段
GS	附加段

寻址方式（地址表示）

寻址方式	机器指令格式	书面格式
寄存器寻址	%寄存器名	R[寄存器名]，如eax
存储器寻址	偏移量(基址,变址,比例系数)	M[地址]
立即数寻址	$值	值

存储器寻址的地址计算：偏移量+基址+变址*比例系数
存储器寻址每一个值都可以省略（比例系数的默认值为1，其他的为0），但()内的如果后面的数省略了，逗号也可以相应地省略（如果把前面的省略了而后面的数不省略，需要把逗号补上）

标志位（EFLAGS）

常用的有

标志位	含义	判断标准
	常用
OF(overflow flag)	溢出标志	左1进位 && 左2进位
SF(sign flag)	符号标志	=符号位
ZF(zero flag)	零标志	运算结果是否为0
CF(carry flag)	进/借位标志	是否移除或（因不够减而）借位
	控制标志（次常用）
DF(firection flag)	方向标志
IF(interrupt flag)	中断允许标志
TF(trap flag)	陷阱标志

OF用于判断有符号数是否溢出
CF用于判断无符号数是否溢出

指令


数据传送	地址数	功能
mov	2	地址2的数=地址1的数
movs	2	送数据同时符号扩展
movz	2	送数据同时0扩展
xchg	2	交换两个数
push	1	将地址里的数入栈
pop	1	出栈一个数到地址1里

地址传送指令
lea	地址2的数=地址1

输入输出
in	1

标志传送
pushf	1
popf	1

函数调用与返回
call	1	函数的目标地址
leave	0
ret	0	函数返回

算数运算
add	2	地址2的数+=地址1的数
sub	2	地址2的数-=地址1的数
cmp	2	地址2的数-地址1的数，数不改变大小，常用于跳转的计算
inc	1	地址1的数++
dec	1	地址1的数–
neg	1	地址1的数=-地址1的数
mul	2	有符号数相乘，高位-低位(AX(16b16b)/DX-AX(32)/ECX-EAX(64))=地址2的数地址1的数
imul	2	无符号数相乘
div	2	有符号数相除，商-余数(AX(16)/DX-AX(32)/ECX-EAX(64))=地址2的数/地址1的数
idiv	2	无符号数相除

逻辑运算
not	1	按位取反
and	2	按位与
or	2	按位或
xor	2	按位异或
test	2	地址2的数&地址1的数，数不改变大小，常用于跳转的计算

位移
shl	2	逻辑左移
shr	2	逻辑右移
sal	2	算数左移
sar	2	算术右移
rol	2	循环左移
ror	2	循环右移
rcl	2	带循环左移
rcr	2	带循环右移

跳转	均为1，跳转的目标地址	有条件跳转是根据（因test/cmp产生的）符号位的情况决定是否跳转
	条件	说明
jmp	无条件	无条件跳转到对应地址
jc	CF==1	有进/借位
jnc	CF==0	无进/借位
je/jz	ZF==1	==0
jne/jnz	ZF==0	!=0
js	SF==1	是负数
jns	SF==0	是非负数
jo	OF==1	有溢出（有符号数）
jno	OF==0	无溢出（有符号数）
	下面是无符号数跳转
ja/jnbe	CF== 0 && ZF==0	>0
jae/jnb	CF== 0 \|\| ZF==0	>=0
jb/jnae	CF== 1 && ZF==0	<0
jbe/jna	CF== 1 \|\| ZF==0	<=0
	下面是有符号数跳转
jg/jnle	SF== OF && ZF==0	>0
jge/jnl	SF== OF \|\| ZF==1	>=0
jl/jnge	SF!= OF && ZF==0	<0
jle/jng	SF!= OF \|\| ZF==1	<=0

栈 / 函数的调用过程

栈在程序运行时分配，从0x08048000开始，向下延申
即栈底(EBP)在上，栈顶(ESP)在下
(EBP保存栈底，ESP保存栈底)

函数P(caller，调用者)调用函数Q(callee，被调用者)
过程调用的执行步骤如下

P将入口函数（实参）放到Q能访问到的地方
P将返回地址存到特定的地方，然后将控制转移到Q
Q保存P的现场，并为自己的非静态局部变量分配空间
执行Q的函数体
Q回复P的现场，并释放局部变量所占空间
Q取出返回地址，将控制转移到P

形象地说，就是

调用者在调用函数前，保存自己的返回地址（即下一条指令的地址，保证返回时可以继续执行程序）和EAX、ECX、EDX寄存器
在调用函数后，控制权转到被调用者
被调用者将调用者的栈底、需要用到的被调用者保存寄存器 push进栈，然后可以开辟自己的栈
运行完被调用者函数体
将调用者的栈底、需要用到的被调用者保存寄存器 pop出栈
控制权转到调用者
pop出EAX、ECX、EDX寄存器和返回地址
继续运行调用者的函数体

调用者保存寄存器：EAX,ECD,EDX
被调用者保存寄存器：EBX,EDI,ESI
开辟的栈的大小要是16的倍数（返回地址和上一个EBP除外）

程序的链接

连接前后的文件结构

链接视图（链接前）	执行视图（链接后）
ELF头	ELF头
程序头表（段头表，可选）	程序头表（段头表，必须）
节1	段1
…	…
节头表（必须）	节头表（可选）

可选的一般不需要

ELF头

包含文件结构说明的信息

节/段头表

由若干表项组成，每一项有（节/段名、偏移、大小、访问属性、对齐方式）

链接视图（节）

文件结构
ELF头
程序头表（段头表，可选）
.text	目标代码
.rodata	只读数据，如printf的格式串，switch的跳转表
.data	已初始化的全局变量
.bss	未初始化的全局变量
.stmtab	符号表
.rel.text	.text节的重定位信息
.rel.data	.data节的重定位信息
.debug	调试用符号表
.line	C行号与.text节机器指令的映射
.strtab	字符串表，包括.symtab和.debug节中的符号以及节头表中的节名
节头表（必须）

执行视图（段）

段与节差别不大（知识在执行视图里，所以叫段）
与节相比，少了.rel.data和.rel.text，多了.init和.fini

.init：在程序运行后，进入主函数之前，运行里面的指令代码
.fini：主函数运行完后，程序结束前，运行里面的指令代码

下面的每一块根据运行时的 是否载入与**（载入后）读写权限**的不同，分为3类

只读（代码）段
可读写（数据）段
不需映射到存储空间的符号表和调试信息

文件结构

只读（代码）段
ELF头
程序头表（段头表，必须）
.text	目标代码
.init、.fini	在主函数运行前后运行
.rodata	只读数据，如printf的格式串，switch的跳转表
可读写（数据）段
.data	已初始化的全局变量
.bss	未初始化的全局变量
不需映射到存储空间的符号表和调试信息
.stmtab	符号表
.debug	调试用符号表
.line	C行号与.text节机器指令的映射
.strtab	字符串表，包括.symtab和.debug节中的符号以及节头表中的节名
节头表（可选）

符号解析

符号：全局变量名和全局函数名

全局符号：非静态函数名/全局变量名
外部符号：extern定义的符号
本地符号：静态函数名/全局变量名

强符号：全局符号
弱符号：外部符号，本地符号

符号解析：将每个符号的引用与符号的定义建立连接
每个符号最多1个强定义（多个强定义会直接报错；某个符号没有强定义会指定其中的一个并警告，不会报错）

重定位

把指令里的符号与它的定义绑定起来（给一个确定的地址）

相/绝对定位

绝对定位：R_386_32，用于函数的定位
相对定位：R_386_PC32，用于变量的定位

动态链接

使用网络上的动态链接库

程序的执行

1条命令完成需要5个步骤

取指令（IF）
指令译码（ID）
取操作数（OF）
执行（EX）
写回（WB）

这5个步骤分别用到了5个部件
一般指令执行采用流水线的方式，让各个部件适时都在运转（提高效率）
但流水线每一步完成之后都需要将结果送寄存器，但总体来说，效率大大提高
单位一般为ps(10^-12s)
记6个时间分别为t1-t5,t0

时钟周期：平均每条指令运行时间
流水线前：t1+t2+t3+t4+t5
流水线后：max(t1,t2,t3,t4,t5)+t0
指令吞吐率：1/时钟周期。单位一般为GIPS（每秒多少*10⁹条指令，10⁹instruction per seconds）

缓存(cache)

在CPU内部，用于加快内存访问速度
有时会有多级cache

L1 cahce:1级cache，更关注速度而不要求很高的命中率。通常采用分离cache，分为d-cache（data，数据）和i-cache(instruction，指令)
L2 cahce:2级cache，更关注命中率，不分离
有时也有 L3 cahce:3级cache，多个核心共用

映射

缓存分为n行（n一般=2ⁱ，每行有个行号，顺序从0开始），每行有（有效位(1b) 标记数据(有个大小)）组成
按照cache行的数据大小，对主存分块（形成了块号，以地址的部分作为块号）

这样将很抽象，举个例子（简单但不实际）
缓存16(2⁴)行，每行的数据为4KB(2¹²)
主存256KB(2¹⁸)，每字节的顺序（地址）用16b表示
/
主存被分为64(256K/4K=64=2⁶)块,每块4KB(2¹²)，块的顺序用6b表示（块地址的前6位）

直接映射

按照cache的行数，对块分群（形成了群号），每个块在自己的群中有自己的位置
这时，cache的行与单个群里的块的顺序一一对应
所以只需要相应的群号作为标记即可

主存有64(2⁶)块，缓存有16(2⁴)行，
主存块就被分成4(2²)群，群的顺序用2b表示（块地址的前2位）
标记的大小就是2b

全相联映射

块不分群，每一块都可以映射到cache的任何一行
所以只需要相应的块号作为标记即可

主存块有64(2⁶)块，不分群
标记的大小就是6b

组相联映射

按一定数量对cache的行进行分组（形成组数）
按照cache的组数，对块分群（形成了群号），每个块在自己的组中有自己的位置
这时，cache的组与单个群里的块的顺序一一对应
单个群里的块可以放到对应组的任何一行
所以只需要相应的群号作为标记即可

可以把直接映射（每个cache组 1行）和全相联映射（把整个cache看成1组）看成特殊的组相联映射

假设cache 2(2¹)行一组,cache被分为8(16/2=8=2³)组
主存块有64块，cache有8组
主存块被分为8(64/8=8=2³)群，群的顺序用3b表示（块地址的前3位）
标记的大小就是3b

替换算法（策略）

cache已满但要放入新内容时用到的算法

先进先出(FIFO,First-In-First-Out)

对每一行计数，每次+1，把最大的换掉，并将该数置0。
命中时不置0

最近最少用(LRU,Least-Recently Used)

对每一行计数，每次+1，把最大的换掉，并将该数置0
命中时置0（与先进先出的差别）

最不经常用(LFU,Least-Frequrntly Used)

对每一行的使用次数计数，把最少的换掉

随机替换

随便找一行出来换换掉

时/空间局部性

时间性：访问地越频繁，时间性越好
空间性：访问的地址越连续，空间性越好（比如数值，对于单个变量没有空间性）

上面两个的意义是，
世界性：频繁访问，这样它会一直在cache中，而不必每次都从内存访问
空间性：从内存中取内存的时候，通常会把它后面一些的块也取进来，访问到后面的数时（比如数组），数在cache中

~虚拟存储

分页式

页表

地址转换

快表

CPU访存过程

分段式

段页式

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