文章目录体系结构通识冯诺依曼架构计算单元存储器输入/输出设备控制器程序的编译过程预处理-编译-汇编-链接预处理器替换宏定义和头文件为具体的函数或者内容编译器将高级程序语言(C语言)替换为低级通用的程序语言(汇编语言)汇编器(Assembler)将低级通用程序语言(汇编语言)替换为机器能理解的字节码(二进制串)链接器外部函数的符号解析和地址重定位(确定外部函数对应所在程序的地址)内存地址和字节字节-寻址的内存组织结构视同为字节数组寻址单位为1个字节寻址单位每一个内存地址代表几个字节例如2字节寻址32位系统和64位系统代表逻辑地址的位数虚拟内存空间的大小字节排序大端法和小端法大端法最不重要的字节在高位-顺序存储小端法最不重要的字节在低位-逆序存储更加常用字符串的表示字符用ASCII码(1字节)表示使用空字符\0(null character0x00)表示终止整数的表示有符号数和无符号数符号位原码补码和反码默认使用二进制补码表示有符号整数*正数转负数技巧正数取反1负数反码-二进制反码最高位为符号位数值为− x w − 1 ⋅ ( 2 w − 1 − 1 ) -x_{w-1}\cdot(2^{w-1}-1)−xw−1⋅(2w−1−1)补码-二进制补码最高位为符号位数值为− x w − 1 ⋅ 2 w − 1 -x_{w-1}\cdot2^{w-1}−xw−1⋅2w−1位数的扩展有符号和无符号数无符号整数-零扩展直接前面补0不影响符号位有符号整数-符号扩展扩充k位前面填充k个原先的最高位不影响结果截断超出数据范围加法运算有符号加法和无符号加法无符号加法mod2 w 2^{w}2w即可有符号加法正溢出和负溢出乘法运算有符号整数的通用方法先定符号位转正数使用算盘法求解最后构造有符号整数(是负数则取反1)二进制拆分法a ⋅ b a ( x 0 ⋅ 2 0 x 1 ⋅ 2 1 ⋯ x w − 1 ⋅ 2 w − 1 ) a\cdot ba(x_0\cdot 2^0x_1\cdot 2^1\cdots x_{w-1}\cdot 2^{w-1})a⋅ba(x0⋅20x1⋅21⋯xw−1⋅2w−1)二的乘法左移k位二的除法右移k位右移后空出位全部填充符号位浮点数的表示IEEE标准表示法-二进制科学计数法符号位s ss指数部分E EE和有效数部分M MM指数位的偏置偏置一般设置为2 k − 1 − 2 2 7 − 2 126 2^{k-1}-22^{7}-21262k−1−227−2126排除2种特殊情况全0和全1float32中E EE的范围为[-126,127]规格化值指数位非特殊情况(全0或者全1)有效数定义为M f 1 Mf1Mf1f为尾数转小数非规格值指数位全为0有效数定义为M f MfMff为尾数转小数无穷值指数位全为1但是尾数全为0特殊定义值。非有效数字NaN指数位全1但是尾数非0特殊定义值。舍入-rounding浮点数只能近似表达某些实数涉及到近似到具体小数位 / 整数的问题浮点数加法变为规范数对齐指数部分还原为浮点数表示浮点数的乘法变为规范数计算重要数的乘法结果还原为浮点数表示机器级别的编程常见汇编指令-未完待续处理器架构以Y86-64为例指令集时序电路执行阶段取指-译码-执行-内存-写回-更新程序计数器取指从指令内存中根据PC取出指令译码读取指令类型和操作数ALU返回计算结果软件角度优化程序性能循环展开增强并行性程序的局部性时间局部性和空间局部性主存储器非易失存储器断电不会丢失数据PROM只可以被编程一次*ROM只读存储实际上可读可写。EEPROM可读可写例如闪存(手机存储和SSD)。易失存储器断电会丢失数据RAM随机访问内存DRAM依靠电容器存储状态电容器电量会流失需要定期刷新速度较慢但容量大存储单位为单元/超单元16x8的DRAM芯片表示16个单元每个单元8个bitSRAM使用双稳态晶体管存储状态不需要定期刷新速度快但造假昂贵存储器架构L0(CPU寄存器)-L1/L2(SRAM)-L3(DRAM)-L4(磁盘或者SSD)存储器层次中的缓存缓存交换抽象原理不同级别存储(例如L1和L2)以数据块为单位交换缓存缓存命中和缓存不命中。缓存未命中冷启动(启动时无缓存)映射冲突(哈希冲突相互覆盖)和容量冲突(需要缓存太多数据)高速缓存存储器的通用架构缓存行与组( S , E , B , m ) (S,E,B,m)(S,E,B,m)S代表组数E代表缓存行B代表数据块大小(字节)m代表内存地址的位数t m − s − e tm-s-etm−s−e代表标记位数用于区分同一组不同缓存直接映射缓存E 1 E1E1每一个组只对应一个缓存行根据s ss有效位和标记位t tt确定缓存是否存在组相联映射缓存E 1 E1E1每一个组对应多个缓存行根据s ss有效位和标记位t tt对缓存行进行一一匹配确定缓存是否存在。全相联映射缓存S 1 S1S1只有一组包含E 1 E1E1个缓存行使用有效位和标记位t tt并行地进行匹配不需要组数位s ss。例如TLB快表。体系结构通识冯诺依曼架构计算单元存储器输入/输出设备控制器程序的编译过程预处理-编译-汇编-链接预处理器替换宏定义和头文件为具体的函数或者内容有宏定义#Define A B将代码中A变量全部替换为B。替换为头文件stdio.h为对应的函数声明例如extern int printf(xxxx)编译器将高级程序语言(C语言)替换为低级通用的程序语言(汇编语言)汇编器(Assembler)将低级通用程序语言(汇编语言)替换为机器能理解的字节码(二进制串)链接器外部函数的符号解析和地址重定位(确定外部函数对应所在程序的地址)内存地址和字节字节-寻址的内存组织结构视同为字节数组寻址单位为1个字节寻址单位每一个内存地址代表几个字节例如2字节寻址32位系统和64位系统代表逻辑地址的位数虚拟内存空间的大小字节排序大端法和小端法大端法最不重要的字节在高位-顺序存储小端法最不重要的字节在低位-逆序存储更加常用字符串的表示字符用ASCII码(1字节)表示使用空字符’\0’(null character‘0x00’)表示终止chars[6]12345;地址 内容(字符)ASCII100010x31100120x32100230x33100340x34100450x351005\00x00整数的表示有符号数和无符号数符号位原码补码和反码默认使用二进制补码表示有符号整数*正数转负数技巧正数取反1负数反码-二进制反码最高位为符号位数值为− x w − 1 ⋅ ( 2 w − 1 − 1 ) -x_{w-1}\cdot(2^{w-1}-1)−xw−1⋅(2w−1−1)正数的补码为其本身负数的补码为正数的原码取反得到。补码-二进制补码最高位为符号位数值为− x w − 1 ⋅ 2 w − 1 -x_{w-1}\cdot2^{w-1}−xw−1⋅2w−1补码反码1位数的扩展有符号和无符号数无符号整数-零扩展直接前面补0不影响符号位有符号整数-符号扩展扩充k位前面填充k个原先的最高位不影响结果符号为0显然成立符号为1扩充的位数得到的负数恰好就是扩充之前得到的负数。截断超出数据范围加法运算有符号加法和无符号加法无符号加法mod2 w 2^{w}2w即可有符号加法正溢出和负溢出乘法运算有符号整数的通用方法先定符号位转正数使用算盘法求解最后构造有符号整数(是负数则取反1)0101×0011-------------0101(0101×1)01010(0101×11)00000(0101×02)00000(0101×03)-------------01111二进制拆分法a ⋅ b a ( x 0 ⋅ 2 0 x 1 ⋅ 2 1 ⋯ x w − 1 ⋅ 2 w − 1 ) a\cdot ba(x_0\cdot 2^0x_1\cdot 2^1\cdots x_{w-1}\cdot 2^{w-1})a⋅ba(x0⋅20x1⋅21⋯xw−1⋅2w−1)二的乘法左移k位二的除法右移k位右移后空出位全部填充符号位浮点数的表示IEEE标准表示法-二进制科学计数法符号位s ss指数部分E EE和有效数部分M MM计算公式为V ( − 1 ) s ⋅ M ⋅ 2 E \begin{align} V(-1)^s \cdot M \cdot 2^E \end{align}V(−1)s⋅M⋅2E指数位的偏置偏置一般设置为2 k − 1 − 2 2 7 − 2 126 2^{k-1}-22^{7}-21262k−1−227−2126排除2种特殊情况全0和全1float32中E EE的范围为[-126,127]规格化值指数位非特殊情况(全0或者全1)有效数定义为M f 1 Mf1Mf1f为尾数转小数非规格值指数位全为0有效数定义为M f MfMff为尾数转小数无穷值指数位全为1但是尾数全为0特殊定义值。非有效数字NaN指数位全1但是尾数非0特殊定义值。舍入-rounding浮点数只能近似表达某些实数涉及到近似到具体小数位/整数的问题浮点数加法变为规范数对齐指数部分还原为浮点数表示浮点数的乘法变为规范数计算重要数的乘法结果还原为浮点数表示机器级别的编程常见汇编指令-未完待续处理器架构以Y86-64为例指令集时序电路执行阶段取指-译码-执行-内存-写回-更新程序计数器取指从指令内存中根据PC取出指令译码读取指令类型和操作数ALU返回计算结果软件角度优化程序性能循环展开增强并行性程序的局部性时间局部性和空间局部性时间局部性在相邻时间访问同个数据空间局部性倾向访问相邻的元素主存储器非易失存储器断电不会丢失数据PROM只可以被编程一次*ROM只读存储实际上可读可写。EEPROM可读可写例如闪存(手机存储和SSD)。易失存储器断电会丢失数据RAM随机访问内存DRAM依靠电容器存储状态电容器电量会流失需要定期刷新速度较慢但容量大存储单位为单元/超单元16x8的DRAM芯片表示16个单元每个单元8个bit通过内存控制器索引DRAM的supercell按照二维结构组织分别需要行索引和列索引每次进行行索引时会将这一行的supercells全部缓存下来。可以通过叠加多个DRAM芯片的方式一次性索引更多字节例如1字节*88字节。SRAM使用双稳态晶体管存储状态不需要定期刷新速度快但造假昂贵存储器架构L0(CPU寄存器)-L1/L2(SRAM)-L3(DRAM)-L4(磁盘或者SSD)存储器层次中的缓存缓存交换抽象原理不同级别存储(例如L1和L2)以数据块为单位交换缓存缓存命中和缓存不命中。缓存SRAM以数据块的形式存储和交换数据缓存未命中冷启动(启动时无缓存)映射冲突(哈希冲突相互覆盖)和容量冲突(需要缓存太多数据)高速缓存存储器的通用架构缓存行与组( S , E , B , m ) (S,E,B,m)(S,E,B,m)S代表组数E代表缓存行B代表数据块大小(字节)m代表内存地址的位数t m − s − e tm-s-etm−s−e代表标记位数用于区分同一组不同缓存直接映射缓存E 1 E1E1每一个组只对应一个缓存行根据s ss有效位和标记位t tt确定缓存是否存在组相联映射缓存E 1 E1E1每一个组对应多个缓存行根据s ss有效位和标记位t tt对缓存行进行一一匹配确定缓存是否存在。全相联映射缓存S 1 S1S1只有一组包含E 1 E1E1个缓存行使用有效位和标记位t tt并行地进行匹配不需要组数位s ss。例如TLB快表。