计算机组成原理与接口技术笔记（更新中）

计算机组成原理与接口技术

——基于MIPS架构

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为什么要写这个笔记？

  课后整理笔记是一个复习的过程。上学期写了一个数字电路的笔记，感觉这门课一下子得心应手起来。这学期继续这个做法，选几门觉得难的课程整理下笔记

写给读者

  感谢你阅读本笔记，本文不允许任何形式的转载。有任何问题可以与我联系，我的邮箱是[email protected]

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第一章 计算机基础

1. 计算机结构

  计算机系统由软件和硬件组成，这门课主要研究硬件
  计算机硬件包括CPU、存储器、I/O设备等

CPU

  CPU由ALU、控制器、寄存器组成
  ALU是运算单元
  控制器负责控制信号
  CPU位数 = CPU中寄存器的位数 = CPU能够一次并行处理的数据宽度 = 数据总线宽度
  例如64位计算机，其CPU中寄存器的位数为64。它一次能并行处理64位的数据。它的数据总线宽度为64

存储器

  存储器就是内存，由存储矩阵构成，最小存储单位为Byte，即8个bit

总线

  总线是指计算机组件间规范化的交换数据的方式
  总线分为数据总线、控制总线、地址总线
  数据总线是用来传输数据的，是双向的
  控制总线是控制数据传输方向的信号线，是双向的
  地址总线是传输数据位置的，是单向的

2. 计算机工作原理

基本术语

  指令：计算机能识别并执行的基本操作命令
  指令由操作数和操作码组成。操作码决定要完成什么操作，操作数指参加运算的数据及其所在的地址
  指令以二进制的形式存在内存中
  指令集：计算机全部指令的集合
  程序：完成既定任务的指令序列

工作过程

1.读取指令
2.指令译码
3.获取数据
4.执行运算
5.存储结果

3. 计算机结构模型

冯诺依曼结构

  计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成
  程序和数据以二进制不加区分存在存储器（数据类型是由程序决定的）
  计算机只有一个CPU，一个存储器，一套总线。CPU的速度越来越快，但是由于只有一个存储器和一套总线，使得读数据、读指令、存放结果不能并行

哈佛结构

  为了解决以上问题，提出哈佛结构。提供两个存储器分别存放指令和数据，同时提供两套总线
  代价是增加了复杂度

改进的哈佛结构

  提供两个存储器，但只有一套总线

混合结构

  现在最常见的是混合结构

4. 计算机中的信息表示

  计算机是数字电路，存储的信息都是二进制信息

数制转换

  这部分网络资料很多，就不记了

整数的编码

  原码、反码、补码参考：https://www.jianshu.com/p/36ec7a047f29
  这里提一下模的概念，模是符号位的进位位的权值。例如有8位二进制，模是第9位的权值，即2⁸=256
  负数的补码为模减去该数的绝对值，这是负数补码的定义，可以越过原码和反码
  事实上，有些负数的原码和反码不存在，不能通过反码+1的方法计算补码。比如计算-128的8位补码，-128的8位反码不存在，那么-128的补码为：256-128=128，即1000 0000
  机器码的概念：机器码包括原码、反码、补码和移码

小数的编码

定点数

  不需要保存小数点的位置，所有位置都用来存储数字
  包括定点整数、定点纯小数、定点带小数

浮点数

  遵循IEEE 754编码，分为单精度和双精度
  浮点数从高位到低位分别是符号域、指数域和尾数域。其中符号域为了正负数的统一，需要加上偏移量
  单精度有32位，双精度有64位
  参考：https://blog.csdn.net/u010460406/article/details/47027419

5. 计算机的运算基础

整数运算

无符号数运算

  直接算
  溢出：当最高为向更高位有进位（或借位）时产生溢出
  产生的进位或借位由状态寄存器的CF位保存

有符号数运算

  加减统一为补码运算
  溢出：最高位进位状态⊕次高位进位状态=1，则溢出。溢出只可能发生在同符号的数运算之间

  最高位和次高位，一个有进位一个没有进位，则他们的状态异或得1，则结果就有溢出

浮点数运算（难点）

1.检测0操作数，如果有一个是0就不用算了
2.指数对齐。小的指数向大的对齐。原因是：小的向大的对齐时，指数小的那个数的小数点左移，其尾数域右端的数字被移出，误差小；而反过来误差较大
3.尾数求和。都用补码运算
4.结果规范化

  例题：计算1.5 - 27.5（单精度）
  首先把两个浮点数表示出来

  把1.5的小数点左移，与-27.5的补码相加。得到的结果依然是补码，再变回原码

  已经是规范化的小数了，本题结束

6.计算机中的信息存储

  当数据存在连续的存储空间时，其地址是就是存储空间的首地址
  大字节序：高位存入低地址，低位存入高地址（MIPS采用大字节序）
  小字节序：高位存入高地址，低位存入低地址

第二章 MIPS汇编语言

1.计算机语言

  高级语言：独立于硬件，描述算法
  汇编语言：使用助记符号和地址符号来表示指令的语言，又称符号语言
  机器语言：依赖硬件，是二进制代码，计算机可以直接执行
  汇编：把汇编语言翻译成机器语言的过程
  汇编程序：实现汇编过程的软件
  汇编语言程序：用户用汇编语言编写的程序

2.计算机指令架构

CISC（复杂指令集计算机）

RISC（精简指令集计算机）

两种架构的对比

  可以看出CISC的指令种类较多，长度不固定
  而RISC只有三类指令，长度固定。注意：RISC只有装载和存储可以访问存储器，其他指令都在寄存器之间进行
  二者各用用处，这门课我们学习的MIPS架构采用精简指令集（RISC）

3.MIPS汇编指令概述

MIPS指令结构

  MIPS汇编指令基本结构如下图

  在下面这条示例指令中，add是操作码，决定这条指令进行加法操作；a, b, c是三个操作数，是操作的对象，其中a是目的操作数b, c是源操作数

add a, b, c

MIPS操作数类型

  操作数只有三种，分别是寄存器、存储器和立即数
  寄存器操作数：是CPU内部的寄存器，表示方法是美元符加上寄存器的名称或编号，如$s0，$s7，$3
  存储器操作数：是内部存储器，在MIPS架构下仅用于装载(Load)和存储(Store)指令。表示方法是常数加上括号寄存器的形式，其中的常数是偏移量，如4($s3)
  立即数操作数：就是常数，如4，8

MIPS指令类型

  指令中的u表示操作数据是无符号数。这就解释了为什么之前说内存中的数据类型是程序决定的
  指令中的i表示这条指令的操作数含有立即数
  数据传送指令中的w h b分别表示这条指令针对的数据是字、半字、字节
  这里将MIPS指令按照功能分类，之后我们还会按照编码方式分类

4.MIPS指令操作数

寄存器操作数

  MIPS有32个通用寄存器（$0-$31），具体内容如下图

  没列出的$26，$27寄存器保留给异常处理函数使用

存储器操作数

  MIPS数据存储要求边界对齐。半字存储地址需要为偶数；字的存储地址需要为4的整数倍。MIPS指令是32位的，即一个字，所以指令的地址也是4的整数倍
  表示方法仅有一种，是常数加上括号寄存器的形式，其中的常数是偏移量，如4($s3)
  例如，A中存储int，A保存在$s8中，请表示A[8]
  答案为：32($8)。因为每一个int占据4个字节，偏移量为32

立即数操作数

  是指出现在指令中的常数，如下列指令中的40

addi $s1,$s2,40

  立即数可以有10进制或者16进制表达方式。后者需要有0x作为前缀

5.MIPS指令编码

  我们知道MIPS的指令编码都是定长的，那么如何用二进制编码指令，即如何表示指令的操作码和操作数？
  回答这个问题前，我们将指令分为R型，I型，J型三种指令。实际上，我们分类的标准是这三种指令有不同的编码形式

R型指令

I型指令

J型指令

小结

  三种指令的编码形式如下图

6.MIPS常用汇编指令

数据传送指令

装载(Load)

  指令格式如下

lx $Rt, Imm($Rs)

  显然，装载指令是I型指令。指令中的lx,Rt,Rs,Imm分别与I型指令的各个域对应
  lx并不代表真的有lx这个指令，在实际代码中，要被替换成lw,lh,lhu,lb,lbu等
  lw指令将一个字的数据拷贝到寄存器。注意MIPS寄存器的左边储存数据的高位，存储器的低地址存放数据的高位
  lh,lhu拷贝半字到寄存器。由于寄存器是32位，半字只有16位，所以二者需要分别进行有符号扩展和无符号扩展

有符号扩展是在高位补充符号位
无符号扩展是在高位补充0
例如，16位立即数0x8000，进行有符号扩展和无符号扩展得到如下结果
有符号扩展：0xFFFF8000
无符号扩展：0x00008000

  lb,lbu拷贝字节到寄存器。同样要进行扩展，方式与上述一致
  以上都是规则字的装载，下面来讲非规则字的装载。这种情况发生在地址不是4的整数倍的时候
  lwl是左边界对齐非规则字访问。复制存储器中从中间到左边的数据，粘贴在寄存器的左边
  lwr是右边界对齐非规则字访问。复制存储器中从中间到右边的数据，粘贴在寄存器的右边
  举个lwl的例子。lwr与例子相反，就不举了

  从中间的0到左边界的2，依次复制到寄存器的左边。结果如下图

  非规则字的装载可以和非规则字的存储配合使用，实现小字节序

存储(Store)

  指令格式如下

sx $Rt, Imm($Rs)

  存储指令和装载指令一样，都是I型指令
  sx在实际代码中为sw,sh,sb
  sw直接将寄存器中的一个字存到存储器，注意地址必须是4的整数倍
  sh存半字，而且是低半字。因为高位是拓展而来的，不会影响数据的值
  sb存字节，而且是低字节
  存储指令中也有非规则字存储指令
  swl是将寄存器中从左边界开始的值，以从中间到左边的方式存到存储器
  swr是将寄存器中从右边界开始的值，以从中间到右边的方式存到存储器
  swl与lwl过程相反，swr与lwr过程相反
  举个swl的例子

  得到结果如下

  一句话概括非规则装载存储：装载是中间装到边界，存储是边界存到中间

特殊数据传输指令

1. 特殊寄存器和通用寄存器之间数据互传

  四条都是R型指令。$Rd,$Rs代表域

2. 寄存器赋初值

  代码如下

lui $Rt,Imm

  这是I型指令，功能是把16位立即数赋给寄存器的高16位，低16位补0
  代码的u不是无符号数的意思，而是高位(up)的意思
  如何给寄存器赋32位值？需要用到后续课程的逻辑运算指令

算术运算指令

加减运算

  先来看4条R型加减运算指令

add $Rd,$Rs,$Rt  # 有OF作为溢出标志位
addu $Rd,$Rs,$Rt
sub $Rd,$Rs,$Rt  # 有OF作为溢出标志位，运算结果是Rs的值-Rt的值
subu $Rd,$Rs,$Rt

  还有2条I型加减运算指令

addi $Rt,$Rs,Imm  #Imm是16位的，高16位补充符号位
addiu $Rt,$Rs,Imm  #Imm是16位的，高16位充0

  立即数参与的时候就没有减法了，因为只要加上一个负数就可以实现减法

乘法运算

mult $Rs,$Rt
multu $Rs,$Rt

  乘法结果的符号由参与运算的数的符号决定，所以要区分有符号和无符号(乘法的实现比较复杂，这只是简单理解，想了解更多请看乘法电路)
  乘法的结果保存在特殊寄存器中。高32位存在hi寄存器，低32位保存在lo寄存器中
  想得到结果需要用到前文的mfhi,mflo等

除法运算

  与乘法类似

div $Rs,$Rt
divu $Rs,$Rt

  进行$Rs/$Rt的运算，结果保存在特殊寄存器中。余数存在hi寄存器，商存在lo寄存器中

位运算指令

位逻辑运算指令

  先讲与、或、或非、异或四类运算，这里都是位逻辑运算
  逻辑运算的具体功能请参考《数字电路》课程
  可以通过或非0，异或1，实现非运算

and $Rd,$Rs,$Rt  #Rs和Rt位与，结果存到Rd
andi $Rd,$Rs,Imm  #Imm是16位的，高16位充0后再和Rs位与
or $Rd,$Rs,$Rt  #或运算
ori $Rd,$Rs,Imm  #Imm是16位的，高16位充0
xor $Rd,$Rs,$Rt  #异或运算
xori $Rd,$Rs,Imm  #Imm是16位的，高16位充0
nor $Rd,$Rs,$Rt  #或非运算，注意没有nori指令

移位指令

  还有一类移位指令，分为逻辑移位和算术移位

# 逻辑移位指令，移入0，都是R型指令
sll $Rd,$Rt,Imm  #逻辑左移Imm
srl $Rd,$Rt,Imm  #逻辑右移Imm
Sllv $Rd,$Rs,$Rt  #逻辑左移，移动的位数是$Rt的值
srlv $Rd,$Rs,$Rt  #逻辑右移，移动的位数是$Rt的值

# 算术移位指令，移入符号位，都是R型指令
# 没有算术左移，因为左移会丢失符号位
sra $Rd,$Rt,Imm  #算术右移Imm
srav $Rd,$Rs,$Rt  #算术右移，移动的次数是$Rt的值

程序控制指令

  在学这部分知识前，我们先要复习以下几个知识：

1.MIPS指令都是32位的，即4个字节，即1个字
2.MIPS架构的存储器要求边界对齐，字的存放的首地址必须是4的整数倍，也就是地址的最低两位是0
3.指令存放在存储器中，且是顺序存储。在程序中相邻的指令在内存中也相邻
4.PC寄存器指向下一条指令的地址
5.在无跳转指令时，程序依靠PC寄存器依次+4来顺序执行指令；实现跳转的关键是改变PC寄存器的值

相等条件控制指令

  有beq和bne两条指令，都是I型指令

beq $Rs,$Rt,label # $Rs,$Rt相等时跳转到label
bne $Rs,$Rt,label # $Rs,$Rt不相等时跳转到label

  label是程序前的标号，代表指令的地址。实际上是一个常数，存在Imm域
  label实际上保存的是相对地址，即label-PC再右移两位的低16位。结果是一个符号数，正数往后跳，负数往前跳
  原因是地址的最低两位是0，没必要存。剩下的从低到高存16位。可见这两条指令的跳转有范围限制

无条件控制指令

  只有一条j指令

j label # 无条件跳转到label

  J型指令的Imm域是26位的。实际上，保存的是label的去除高4位和低2位的中间26位
  j指令的跳转也是有限的，跳转到的指令的地址高4位必须和PC一样

大小条件控制指令

与0比较

  满足条件时，跳转到label

与非0比较

  满足条件时，会给第一个寄存器操作数置1
  再结合beq和bne指令，实现跳转

7.子程序控制原理

子程序调用和返回

  子程序调用的过程实际上是main函数向sub函数跳转的过程
  调用子程序时，采用jal指令，这是一条J型指令
  格式如下，label为标号

jal label

  使用jal指令时，会将PC寄存器中的值暂存到$ra寄存器
  函数调用结束后，使用jr指令就可跳转回主程序，这是R型指令，格式如下

jr $ra

  调用子程序时，依次使用$a0-$a3寄存器保存入口参数。使用$v0-$v1寄存器保存返回值

8.MIPS寻址原理

  寻址是指处理器获得数据和指令的存储地址

操作数寻址：获取操作数的方式

1.寄存器寻址。例如指令add $Rd,$Rs,$Rt，操作数在寄存器中
2.基址寻址。例如指令lw $Rt,(Imm)$Rs，地址由基地址和偏移地址组成
3.立即寻址。例如指令addi $Rt,$Rs,Imm，操作数来自指令中的立即数

指令寻址：获取下一条指令存储地址的方式

1.寄存器间接寻址。例如指令jr $Rs，PC来自寄存器
2.PC相对寻址。例如指令beq $Rs,$Rt,label，新PC的值和原PC的值相关
3.伪直接寻址。例如指令j label，新PC的值基本来自指令

第三章 微处理器

  鸽了。

第四章 存储系统

1.分级存储结构

  时间局部性：刚刚访问的存储区域又马上访问
  空间局部性：访问刚刚访问的存储区域的相邻区域
  存储器的发展基本跟不上CPU的脚步。速度快的存储器价格太贵，便宜的存储器速度太慢
  计算机内采用分级的存储结构提高效率，如下图

2.高速缓存

  如果将经常使用的数据或指令装载到高速缓存中，就可以提高速度
  cache的容量小于内存，不可能把所有的数据都装进cache。故需要建立一种映射机制，也就是说cache数据和内存数据的对应关系

cache映射机制

  这里有三种映射机制，分别是直接映射、全相联映射、组相联映射
  参考：https://blog.csdn.net/l_nan/article/details/78883996

3.虚拟存储器

  将外存当作内存使用
  管理方式有分段管理和分页管理

分段管理

  鸽了。

分页管理

  把内存和外存分为大小相同的页，以页为单位装载
  页表存储在内存中，页表的索引是虚拟地址，数据是物理地址
  可以建立多级页表，索引是虚拟地址的一部分，数据是下一级页表的地址

TLB

  把页表存进高速缓存（全相联映射），提高查找的效率