计算机组成原理

大二上学期计算机组成原理的复习笔记，目前已完结。含自学的后半部分。

一、数据

1. 基本概念

  1. 字长：指针数据的标称大小，32 位系统为 4 字节
  2. 对象的地址为低地址（最小地址），最低有效字节在低地址（67 45 23 01）
  3. 逻辑运算符 && 和 || 有短路性，位运算符没有
  4. 加减法的优先级高于移位运算
  5. 整数运算有交换结合分配律没有单调性；浮点运算有单调性、只有交换律

2. 整数

  1. 逻辑右移补零，算术右移补符号位
  2. %d,%u,%x 分别输出有符号十进制、无符号十进制、十六进制
  3. 有符号和无符号运算时，有符号被转为无符号
  4. short 转 unsigned：先扩展（补符号位），再转为无符号
  5. 加法溢出：无符号 $s<x$；有符号 $x,y$ 同号且结果异号
  6. TMin 的逆元为 TMin，其余为相反数
  7. 有无符号右移为向下取整，但有符号除法要向零：x<0 ? x+(1<<k)-1 : x) >> k
  8. ~x+1 等价于 -x

3. 浮点数

  1. 32 位：1+8+23，64 位：1+11+52
  2. $V=(-1)^s\times M\times 2^E,E=e-Bias=e-2^{k-1}-1$
  3. 规格化数 $M=1+f$；非规格化数 $M=f,e=1$
  4. 向偶数舍入，最低有效位为 0 为偶数（只对 X.Y100 有效）
  5. $NaN+x=NaN$

二、汇编

1. 基本概念

  1. movq 不支持内存到内存
  2. leaq 仅做地址计算，不访问内存，不设置条件码
  3. sarq 算术右移，shrq 逻辑右移
  4. ZF：零；SF：负；CF/OF：无符号/有符号溢出
  5. cmp,test 设置条件码，不保存结果
  6. ja/jb 无符号大于/小于；jl=(SF^OF)
  7. setX 只支持低地址单字节，配合 movzbl（32 位）
  8. 条件移动 cmovX：不用于复杂计算、风险引用和副作用计算

2. 过程调用

  1. 栈：向低地址生长，%rsp 指向当前栈顶
  2. call 将下一条指令地址入栈，属于调用者栈帧
  3. 参数顺序：%rdi,%rsi,%rdx,%rcx,%r8,%r9，Arg7 在低地址
  4. 调用者保存：%rax,%r10,%r11 和六个参数
  5. 存储空间：text 代码，data 全局变量，heap 动态分配，stack 局部变量
  6. 栈攻击防护：检查输入长度、安全函数、栈随机化、栈不可执行、金丝雀

三、处理器

1. Y86-64 指令集

  1. 无 %r15，无 CF（只有 opq 设置），小端法
  2. 寄存器：%rax,%rcx,%rdx,%rbx,%rsp,%rbp,%rsi,%rdi
  3. icode：halt,nop,cmov,irmovq,rmmovq,mrmovq,opq,jxx,call,ret,pushq,popq
  4. irmovq 寄存器 F,rB；mrmovq D(rB),rA
  5. ifun：le,l,e,ne,ge,g；add,sub,and,xor
  6. 状态：AOK,HLT,ADR,INS=1,2,3,4
  7. 程序结构：从零地址开始，需初始化栈指针和数据
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init:
    irmovq Stack, %rsp
    call Main
    halt

    .align 8
Array:
    .quad ...
    .quad 0

Main:
    ...

    .pos 0x100
Stack:

2. 顺序处理器

  1. HCL：小写 bool 大写 words，&&/||/!；in {}
  2. 阶段：Fetch,Decode,Execute,Memory,WriteBack,PC
    1. Fetch：icode,ifun；rA,rB；valC；valP
    2. Decode：valA,srcA；valB,srcB
    3. Execute：valB/0 OP/ALUADD valA/valC/8；0xF
    4. Memory：valM
    5. WriteBack：valE,dstE；valM,dstM
    6. PC：Cnd? (Cnd $\leftarrow$ Cond(CC,ifun))
  3. 控制流
    1. int icode=[imem_error:INOP;1:mem_icode;];
    2. int ifun=[imem_error:FNONE;1:mem_ifun;];
    3. int Stat=[imem_error||dmem_error:SADR;!instr_valid:SINS;icode==IHALT:SHLT;1:SAOK;];
    4. need_regids;mem_addr;mem_read;new_pc

四、存储

1. 缓存

  1. Miss：cold(compulsory),capacity,conflict
  2. S=2^s sets, E=2^e lines/set, B=2^b bytes/block
  3. Address：m=t+s+b，(S,E,B,m)
  4. Write-through/back；Write-allocate/no-write-allocate
  5. 存储器山：时间局部性脊，空间局部性斜坡，硬件预取脊

2. 程序优化

  1. 矩阵乘法：A[i][k]*B[k][*]=C[i][*]；分块 $3B^2<C$
  2. 通用方法：代码移动（减少函数调用）、临时变量
  3. 循环展开：减少数据依赖，展开、重组、并行

五、链接

  1. 编译过程：.c $\to$ 预处理 $\to$ .i $\to$ 编译 $\to$ .s $\to$ 汇编 $\to$ .o $\to$ 链接 $\to$ .exe
  2. 可重定位目标文件 .o：代码 .text，数据 .rodata/.data/.bss（只读/已初始化/未初始化），符号表 .symtab，重定位表 .rel.text/.rel.data
  3. 库：静态库 .a（多个 .o 文件打包，链接时提取需要的 .o 文件）、动态库 .so/.dll（链接时记录库名和符号表，运行时加载）
  4. 链接过程：符号解析确定所需 .o 再合并，重定位引用地址

六、异常控制流

  1. 异常：中断（异步 I/O）、陷阱（系统调用）、故障（可恢复错误）、终止（不可恢复错误）
  2. 进程：虚拟内存空间（代码、数据、栈）、寄存器、文件描述符表
  3. 信号：类似异常，接收后内核将控制流转移到信号处理程序再返回

七、虚拟内存

  1. 正常流程：MMU 接收虚拟地址向内存中页表请求查询物理页号，再将物理页号和虚拟页偏移量组合成物理地址向内存请求访问
  2. 缺页：MMU 发现物理页号首位无效（地址指向初始磁盘位置），触发缺页异常将磁盘复制到内存，更新页表后重试访问
  3. 加速：TLB 页表缓存、多级页表、和高速缓存联用

八、系统级 I/O

  1. 共享文件：描述符表进程独立，打开文件表和 v-node 表进程共享
  2. 打开同一文件两次：描述符表中两条，指向打开文件表中不同条，指向同一 v-node 表条
  3. 父子进程：复制描述符表，对应条指向同一打开文件表条，指向同一 v-node 表条
  4. 重定向：将描述符表条重新指向其他打开文件表条（可用于 stdin/out/err）

九、网络编程

  1. 端口：客户端由内核自动分配临时端口，服务器为固定端口，服务器内核监听到端口请求后将控制流转移到对应程序
  2. URL：通用资源定位符，用于静态内容在服务器磁盘上查找
  3. CGI ：通用网关接口，用于动态内容传递运行参数，用？分隔文件名和参数，用&分隔参数

十、并发编程

  1. 并发方式：进程式（遇请求后 fork）、事件式（遇请求后转移控制流）、多线程
  2. 线程：栈（同一虚拟内存空间的不同区间）、寄存器，共享虚拟内存空间、文件描述符
  3. 信号量：P（减一，阻塞直到非负）、V（加一，唤醒一个等待线程），用于互斥锁
  4. 死锁：等待永远不为真的条件，如 PV 顺序不一致导致的禁止区域左下角
笔记
#计算机 #大二上
计算机组成原理
https://sqzr2319.github.io/25Fall/CSAPP/
作者
sqzr2319
发布于
2026年1月9日
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