计算机体系结构基础最近的知识点

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1. 常见通用计算机系统的四大层次以及连接层次之间的界面：

$第一章的介绍：$
应用系统，
—>应用程序编程接口API（生态建设的起点）
操作系统，
—>指令系统ISA（生态建设的终点）
硬件系统，
—>工艺模型
晶体管

补充：在API和ISA中间还有一层应用程序二进制接口（ABI）。ABI是应用程序访问计算机硬件以及操作系统服务的接口。

$第二章的介绍：（从用户感知的应用软件到最底层的物理载体）$
应用软件
基础软件
硬件逻辑
物理载体

指令系统介于软件和硬件之间，是软硬件交互的界面。

2. MIPS指令系统：

调试模式
根模式
- 核心模式
- 监管模式（很少使用）
- 用户模式
客户模式
- 核心模式
- 监管模式（很少使用）
- 用户模式

根-核心模式和调试模式可以控制所有的处理器资源，
根-用户模式和客户-用户模式只能控制各自模式的资源，
客户-核心模式可以控制所有的客户-用户资源。

3.指令系统

根据指令长度的不同，指令系统分为：
- 复杂指令系统（CISC）：指令长度可变。
- 精简指令系统（RISC）：指令长度比较固定。有利于指令流水先的高效实现
  精髓在于简化指令间关系，有利于指令流水线高效实现。
- 超长指令字：本质是多条同时执行的指令的组合，其“同时执行”的特征由编辑器指定，无需硬件进行判断。
指令集结构：
指令集时指令系统提供给软件的直接接口。
指令系统有时也会狭义地理解为指令集结构。
指令：
每条指令倒是一个操作的描述，主要包括操作码和操作数。
操作码包括指令系统，例如加减法。
操作数据指示操作对象，又包括数据类型，访问地址，寻址方式等内容的定义。
访存地址
- 访存地址的对齐：
  对齐访问是指对该数据的访问地址和结束地址都符合其数据长度。
  如果支持不对齐访问，硬件就需要完成数据的拆分和拼合。
- 大小尾端？
  big endian：大尾端，也称大端（高位）优先存储。最高有效字节的地址较小的是大尾端。
  little endian：小尾端，也称小端（低位）优先存储。最低有效字节的地址较小的是小尾端。
```
 如下对00000000 00000000 00000000 00000001的存储？
```
  大尾端： 00000000 00000000 00000000 00000001
```
 addr+0   addr+1    addr+2  addr+3    //先存高有效位（在低地址） 
```
  小尾端： 00000001 00000000 00000000 00000000
```
 addr+0   addr+1    addr+2  addr+3    //先存低有效位（在低地址）
```

Load和Store的区别？

  以LOAD R1 A和STORE C,R3这两条命令进行讲解。在第一条指令中LOAD表示从存储器中读取数据A然后保存到R1寄存器中第二条指令中STORE表示将C保存到存储器R3中。

从功能上分，指令可分为四大类：
- 运算指令：加减乘除，移位，逻辑运算等。
- 访存指令：负责对存储器的读写。
- 转移指令：控制程序的流向。
  （1）两大要素：转移条件和转移地址。
  （2）两要素的组合构成了不同的转移指令：
- 特殊指令：用于操作系统的特定功能。
公共指令功能
对于跳转指令：
PC 相对地址跳转指令称为“分支”，绝对地址跳转指令称为“跳转“。
延迟槽：
RISC指令集中很多条件转移采用了延迟槽技术。
程序中 $条件$ 转移指令的后一条指令位延迟槽指令。
分支延迟槽 (Branch delay slot)，简单地说就是位于分支指令后面的一条指令，不管分支发生与否其总是被执行，而且位于分支延迟槽中的指令先于分支指令提交 (commit)。

MIPS常用指令集
lb/lh/lw: 从存储器中读取一个byte/half word/word的数据到寄存器中.如lb $1, 0($2)
sb/sh/sw: 把一个byte/half word/word的数据从寄存器存储到存储器中.如 sb $1, 0($2)
add/addu:把两个定点寄存器的内容相加add $1,$2,$3($1=$2+$3);u为不带符号加。

addi/addiu:把一个寄存器的内容加上一个立即数add $1,$2,#3($1=$2+3);u为不带符号加。
sub/subu：把两个定点寄存器的内容相减。
div/divu:两个定点寄存器的内容相除。
mul/mulu:两个定点寄存器的内容相乘。
and/andi:与运算，两个寄存器中的内容相与and $1,$2,$3($1=$2 & $3);i为立即数。
or/ori:或运算。
xor/xori:异或运算。
beq/beqz/benz/bne:条件转移eq相等，z零，ne不等。
j/jr/jal/jalr:j直接跳转；jr使用寄存器跳转；
lui:把一个16位的立即数填入到寄存器的高16位，低16位补零。
sll/srl:逻辑左移/右移sll $1,$2,#2。
slt/slti/sltui:如果$2的值小于$3，那么设置$1的值为1,否则设置$1的值为0。slt $1,$2,$3。
mov/movz/movn:复制，n为负，z为零。mov $1,$2; movz $1,$2,$3($3为零则复制$2到$1)。
trap:根据地址向量转入管态。
eret:从异常中返回到用户态。

add是有符号数加法，addu是无符号数加法。
区别：add指令执行附加的溢出检测，如果运算结果溢出，会触发异常。

C语言代码转换为MIPS机器表示

C语言等高级语言编写的程序必须经过编辑器转化为汇编语言，再由汇编器转换为指令码才能在CPU上执行。

对下图的解释：

执行顺序：
1.add：（add是被调用的子程序）

  addu  v0,a0,a1addu：这是一个操作码，把两个定点寄存器的内容不带符号相加add $1,$2,$3($1=$2+$3);（相似的指令见上文）v0,a0,a1是三个寄存器而这条指令是将会将输入的参数保存到a0,a1两个寄存器中，并将结果保存到v0寄存器中。jr rajr：负责函数返回的指令，属于间接跳转指令，该指令的操作数为寄存器，因此MIPS汇编中常见的函数返回指令是JR RA指令的后一条指令其延迟槽，延迟槽内的指令先于JR指令执行。调用函数时才会执行此指令。

ref:(函数)

  addiu  sp,sp,-32指令addi/addiu:把一个寄存器的内容加上一个立即数add $1,$2,#3($1=$2+3);u为不带符号加。这条指令给sp寄存器中加上-32,并将结果保存到sp寄存器中。sw  ra,28(sp)sw:sw rt,imm(rs)将rt寄存器中存放的值保存到rs寄存器中存放的值加上立即数imm进行符号扩展后得到的扩展立即数所得的内存地址的内存单元中，即memory[rs + (SignExtend)immediate] <- rt这条指令是li a0,12这条指令将12保存到a0这个寄存器中。li a1,34这条指令将34保存到a1jal addjal:调用函数，属于绝对转移指令，该指令在跳转的同时还将下一条指令（延迟槽除外）的地址放入31号通用寄存器（记为RA）中，作为函数放回地址。	在这条指令中，它调用了add函数。lw ra,28(sp)

注：这个解释未写完，小白后面会补完的。

4. 存储管理

段式存储管理的地址转换的过程：
- 地址转换时根据短号检索段表，得到对应段的起始物理地址（由段长度和基址可得），
- 对应段的起始物理地址加上段内偏移得到最终的物理地址。
  补充：段式需要判断段地址的合法性。
页式存储管理的地址转换过程：
- 根据虚拟页号检索页表，得到对应的物理页号，
- 物理页号和页内偏移组合得到最终的物理地址。
段页式存储管理的地址转换过程（虚拟地址分为段号，虚拟页号和页内偏移）：
段里面存储的是多张页表。
- 首先根据短号查询段表得到对应段的页表起始地址
- 根据页表起始地址和虚拟页号查询页表得到物理页号，
- 物理页号与业内偏移组合得到最终的物理地址。
  补充：段页式同样需要检查段地址的合法性。