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 character，'0x00')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`
- 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 b=a<<(x_0\cdot 2^0+x_1\cdot 2^1+\cdots x_{w-1}\cdot 2^{w-1})a⋅b=a<<(x0⋅20+x1⋅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}-2=2^{7}-2=1262k−1−2=27−2=126，排除2种特殊情况，全0和全1，float32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 M=f+1M=f+1，f为尾数转小数
- 非规格值：指数位全为0，有效数定义为M = f M=fM=f，f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bit
- 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 t=m-s-et=m−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 E=1E=1，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 E>1E>1，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 S=1S=1，只有一组，包含E > 1 E>1E>1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)ASCII1000'1'0x311001'2'0x321002'3'0x331003'4'0x341004'5'0x351005'\0'0x00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(0101×1<<1)00000(0101×0<<2)00000(0101×0<<3)-------------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 b=a<<(x_0\cdot 2^0+x_1\cdot 2^1+\cdots x_{w-1}\cdot 2^{w-1})a⋅b=a<<(x0⋅20+x1⋅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}-2=2^{7}-2=1262k−1−2=27−2=126，排除2种特殊情况，全0和全1，float32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 M=f+1M=f+1，f为尾数转小数
非规格值：指数位全为0，有效数定义为M = f M=fM=f，f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*8=8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
