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冒险

  1. 流水线架构的CPU，是主动进行的冒险选择，期望通过冒险带来更高的回报
    • 对于各种冒险可能造成的问题，都准备好了应对方案
  2. 分类
    • 结构冒险（Structural Hazard）
    • 数据冒险（Data Hazard）
    • 控制冒险（Control Hazard）
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单指令周期处理器

  1. 一条CPU指令的执行：Fetch -> Decode -> Execute
    • 这个执行过程，最少需要花费一个时钟周期，因为在取指令的时候，需要通过时钟周期的信号，来决定计数器的自增
  2. 单指令周期处理器（Single Cycle Processor）：在一个时钟周期内，处理器正好能处理一条指令，即CPI为1
  3. 时钟周期是固定的，但指令的电路复杂程度是不同的，因此一条指令的实际执行时间是不同的
    • 随着门电路层数的增加，由于门延迟的存在，位数多、计算复杂的指令需要的执行时间会更长
  4. 不同指令的执行时间不同，但需要让所有指令都在一个时钟周期内完成，只能把时钟周期和执行时间最长的指令设成一样
    • 快速执行完成的指令，需要等待满一个时钟周期，才能执行下一条指令
  5. CPI能够保持在1，但时钟频率没办法设置太高，因为有些复杂指令是没办法在一个时钟周期内运行完成的
    • 在下一个时钟周期到来，开始执行下一条指令的时候，前一条指令的执行结果可能还没有写入到寄存器里
    • 那么下一条指令读取的数据就是不准确的，会出现错误
  6. 无论是PC上使用的Intel CPU，还是手机上使用的ARM CPU，都不是单指令周期处理器，而是采用了指令流水线的技术
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三种周期

指令周期

  1. 执行一条指令的过程
    • Fetch（取得指令）
      • 从PC寄存器里面找到对应的指令地址，根据指令地址从内存里把具体的指令，加载到指令寄存器中
      • 然后把PC寄存器自增，便于未来执行下一条指令
    • Decode（指令译码）
      • 根据指令寄存器里面的指令，解析成要进行什么样的操作，是R、I、J中的哪一种指令
      • 具体要操作哪些寄存器、数据或者内存地址
    • Execute（执行指令）
      • 实际运行对应的R、I、J这些特定的指令，进行算术逻辑操作、数据传输或者直接的地址跳转
    • 重复上面步骤
  2. 指令周期（Instruction Cycle）：Fetch -> Decode -> Execute
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浮点数的不精确性

1
2
>>> 0.3 + 0.6
0.8999999999999999
  1. 32bit是无法表达所有实数的，只能表达2^32次方不同的数字，差不多40亿
  2. 40亿个数字比起无限多的实数集合只是沧海一粟，应该让这40亿个数映射到实数集合上的哪些数字，在实际应用中才最划算
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基本门电路

  1. 基本门电路：输入都是两个单独的bit，输出是一个单独的bit
  2. 如果要对2个8bit的数字，计算与或非的简单逻辑（无进位），只需要连续摆放8个开关，来代表一个8bit数字
  3. 这样的两组开关，从左到右，上下单个的位开关之间，都统一用『与门』或者『或门』连起来
    • 就能实现两个8bit数的AND运算或者OR运算
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补码表示法

  1. 原码表示法
    • 0011为3，1011为-3
    • 缺点：0000和1000都表示为0
      • 浪费 + 模凌两可
  2. 由此诞生了补码表示法，其实就是一个简单的翻转而已
    • 用补码表示负数，使得整数的相加变得容易，不需要做任何特殊处理，当成普通的二进制相加即可
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静态链接

  1. 把对应的不同文件内的代码段合并在一起，成为最后的可执行文件，可以做到代码在开发阶段的复用
  2. 很多程序都需要通过装载器装载到内存里面，里面链接好的同样的功能代码，也都需要再装载一遍，再占一遍内存空间
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程序装载

  1. 背景
    • 通过链接器，把多个目标文件合并成一个最终可执行文件
    • 运行可执行文件时，其实是通过一个装载器，解析ELF或者PE格式的可执行文件
      • 装载器会把对应的指令和数据加载到内存里面，让CPU去执行
  2. 装载器需要满足两个条件
    • 可执行程序加载后占用的内存空间应该是连续的
      • 执行程序时，程序计数器是顺序地一条一条指令执行下去
    • 需要同时加载很多个程序，并且不能让程序自己规定在内存中加载的位置
  3. 内存地址
    • 虚拟内存地址：指令里用到的内存地址
    • 物理内存地址：内存硬件里的空间地址
  4. 一个思路
    • 在物理内存里面找一段连续的内存空间，分配给装载的程序
      • 然后把这段连续的内存空间地址和整个程序指令里指定的内存地址做一个映射
    • 程序里有指令和各种内存地址，而我们只需要关心虚拟内存地址即可
    • 对任何一个程序来说，它所看到的都是同样的内存地址
      • 维护一个虚拟内存到物理内存的映射表
      • 实际程序指令执行的时候，会通过虚拟内存地址，找到对应的物理内存地址，然后执行
    • 因为是连续的内存地址空间，只需要维护映射关系的起始地址和对应的空间大小即可
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