期末复习

一.计算系统概述
1.1* 计算机

1.2* 冯诺依曼模型

1.3* 计算机系统

1.4 七层抽象

1.5 从计算->计算机->计算机系统->计算系统

二.数据的机器级表示
1.整数
1.1 无符号整数 8位的可以表示从0-255
1.2 有符号整数
1.2.1 原码表示：用开头的1表示符号，例如1000表示-0，用1001表示-1
1.2.2 反码表示：通过取反的操作表示负号，比如1000，就是0111的负数，即-7
1.2.3 补码表示：通过取反+1的操作表示符号，如1000表示-8
*补码在ALU中=计算中更加便捷，简单

2.二进制-十进制转化
2.1 整数（有符号）通过除2取余倒序相加，再在最高位补0，就可以得到1原整数的绝对值，如果是负数还需要进行取反加1的操作

3 计算
3.1 补码在计算中不需要考虑最高位的进位
3.2 符号扩展：通过最高位来决定，将需要扩展的位=最高位（如果有两个不同长度的数值做加法，首先必须将他们表示为相同长度）
3.3 溢出：比如2+6=8，超过了-7~7的表示上限，所以会导致溢出
tip:一个正数+一个负数不会溢出；两个符号相同的数相加得到另一个符号的必然溢出

4 小数
4.1 小数的负数也是取反+1
4.2 小数的进制转换（×2正序整数位相加）

5 单精度浮点数
5.1 由32位组成
根据E的不同，决定值的大小，E=0时，指数为只需要-126，其它情况-127，当E=255，如果小数部分为0，则表示正无穷或负无穷，如果小数不为0，则为NaN（not a number）
5.2 例子

6 二进制-八进制-十六进制转换
7 ACSII码用8位表示

三.数字逻辑电路
*1.位运算
1.1 位组合逻辑规则
2. CMOS电路
2.1 两种晶体管

2.2 上负下正

3 德摩根定律

4 组合逻辑电路（不能存储信息，输出只由当前的输入决定，不由任何过去存储在其中的信息决定）
4.1 译码器（只有一个输出为1（对应于被检测的输入组合），其余均为0）

4.2 多路选择器（选择一个输入连接到输出。根据选择线选择哪一个线连接到输出，n条选择线，2^n的输入）
4.3 二进制加法（S表示当前位，C表示进位）

5 时序逻辑电路
5.1 RS锁存器（a为输出，b为a的反）（注意与非门是低电平有效，或非门是高电平有效）

当S=1的时候，a必为0，又因为R=1，所以b必为0，此时再将S=1，因为b=0，所以a和b的值不会发生变化
*当s=r=1的时候，因为a和b输出都为1，不符合互补，所以禁用
5.2 门控D锁存器（为了解决两个问题：1应该什么置位，复位；2 R和S不能同时为0）

5.3 寄存器（共享WE）

*5.4（状态机：下一个状态是由当前状态和当前输入决定的）

6 存储器（二维阵列：2^n行，每行m位，行：存储单元）
6.1 存储器的地址（多少行）；存储器的寻址能力（每行几位）
*一般都是字节可寻址（8位），字是32位
6.2 示例

写数据

WE=1代表写入状态，A代表写哪个寄存器，D代表写入的数据是多少
读数据

WE=0，输出的是上一状态的值

五.运算方法和运算部件（S：sum;C:carry）

一位加法器

（中间的符号是异或的意思：规避了全为0和有两个相同的1的情况）
2.门级延迟（异或门是3级，与或非都是1级）

3.行波进位加法器（当数值部分最高位Cn-1不等于符号位Cn的时候，溢出）

涉及进位的时候，默认x异或y已经算出，所以进位间只需要2级门延迟

六.ALU与指令集
1.一些标识位
2.ALU
2.1 单数据总线（三个clock周期：1：从R0写入到LA；2：从R1写入到LB；3：ALU计算结果，写回）

2.2 双数据总线

2.3 三数据总线（不会互相占据，所以1个时钟周期）

3 寄存器的数据存储

七指令集体系

R型指令

add a0, a1, a2 //a0 = a1 + a2
sub a0, a1, a2 //a0 = a1 - a2
sll a0, a1, a2 //a0 = a1 << a2(低位补0)
srl a0, a1, a2 //a0 = a1 >> a2(高位补0）
sra a0, a1, a2 //a0 = a1 >> a2 (算术右移，高位补原来的符号位)

对于位运算,移动的位数是a2的低五位,逻辑移动都补零,算数移动都补充符号位,对于负数,算术移就是乘除,但是逻辑移不是.

slt a0, a1, a2 //a1 < a2 ? a0 = 1 : a0 = 0
xor a0, a1, a2 //a0 = a1 ^ a2(异或操作,不是幂运算)
or a0, a1, a2 //a0 = a1 | a2
and a0, a1, a2 //a0 = a1 & a2

I型指令

addi a0, a1, 0x5 //a0 = a1 + 0x5
subi a0, a1, 0x05 //a0 = a1 - 0x05

先将imm立即数当中的12位符号扩展到32位

slli a0, a1, 0x05 //a0 = a1 << 0x05(低位补0)
srli a0, a1, 0x05 //a0 = a1 >> 0x05(高位补0）
srai a0, a1, 0x05 //a0 = a1 >> 0x05 (算术右移，高位补原来的符号位)

对于移动,imm不需要扩展到32位,只需要移动imm的低5位就行.

slti a0, a1, 0x05 //a1 < 0x05 ? a0 = 1 : a0 = 0
xori a0, a1, 0x05 //a0 = a1 ^ 0x05
ori a0, a1, 0x05 //a0 = a1 | 0x05
andi a0, a1, 0x05 //a0 = a1 & 0x05

就相当于R指令中a2替换成imm扩展到32位(符号扩展)

lb x10, 0(x1) //将x1的值加上0,将这个值作为地址，取出这个地址所对应的内存中的值，将这个值赋值给x10(取出的是8位数值)
lh x10, 0(x1) //从内存中取出16位数值
lw x10, 0(x1) //从内存中取出32位数值

从x1的地址开始,加上立即数,之后的新地址,从这个新地址开始,取出...位的数值，将它符号扩展为32位，存储到x10中.b为字节8位,h为halfword16位,半个字,w为word,为32位

lbu x10, 0(x1) //从内存中取出8位无符号数值
lhu x10, 0(x1) //从内存中取出16位无符号数值

和上面差不多,但是扩展到32位时,补充0.

sb x10, 0(x1) //x1的值加上0,将这个值作为地址，将x10的值存储到上述地址所对应的内存中去 (只会将x10的值的低8位写入)
sh x10, 0(x1) //只会将x10的值的低16位写入
sw x10, 0(x1) //只会将x10的值的低32位写入

从x1的地址开始,加上立即数后,作为新的地址,将x10中的数值的...位写入新的地址中.

U型指令

lui x10, 0x65432 //得到立即数的高20位，低位补0，立即数范围为：0x00~0xFFFFF

将立即数的高20位,即16进制下的5位,写入寄存器x10当中.

B型指令

beq a1, a2, Lable if(a1 == a2){goto Label;} Lable是任意自定义的标签
bne a1, a2, Lable if(a1 != a2)
blt a1, a2, Lable if(a1 < a2)
bgt a1, a2, Lable if(a1 > a2){goto Label;} 100与Label对应着相同的指令，实际上在运行时Label会变成pc+xxx
bge a1, a2, Lable if(a1 >= a2)
ble a1, a2, Lable if(a1 <= a2)

上述是有条件的条件分支指令,只能跳转在-1024~1024条指令

jal ra, symbol // 跳转到Symbol中去, 并把ra设置成返回地址 Symbol 可以是自定义的Label ,也可以是某个函数名
jal ra, 100 // 跳转到pc + 100 * 2的地方中去, 并把ra设置成返回地址 pc相对寻址，对应的是位置无关代码（PIC)
jalr ra, 40(x10) //跳转到x10+40 的地方中去, 并把ra设置成返回地址x10+40必须是绝对地址，指向内存中某个确定的地方（往往是函数的开头），非PIC

伪指令

la rd,label 将label里面的东西存储到rd当中.如str="ing",la t1,str
li rd,imm 将立即数存储到rd当中.
j label 跳转到label对应的地址
mv rd,rs1 将rs1中的数据加载到rd中

接近人类语言的一种翻译

一个汇编程序，想要实现功能，就和C语言一样，需要新建变量，需要对变量进行处理，需要储存新的变量，需要输出验证，下面是一些常规的写法，翻译者也不知道为什么要这样做，但是这样做确实是对的

新建变量: 在.data内,.word代表一个新的变量,通常是int型,也可以是一个数组,如a:.word 3,与int a同义;numbers:.word 1,2,3,4,与int numbers[4]={1,2,3,4}同义..space 是一个空,翻译者不知道是什么意思,但是对输出这个操作有非常重要的作用..string是字符串,字符的特点是只有一个字节.
写程序:首先要写.text,main:,然后再开始写代码.将变量加载到寄存器内:对于数组和字符串需要两步,第一步la a0,a,就是将a的地址加载到a0中(la加载的是地址,不是a的数值;如果加载的是数组或者字符串,加载的是首位的地址,可以对地址处理,来实现对数组的遍历),第二步是lw a1,0(a0),把a0中对应地址的数取出来,放到a1中,至此,我们就实现了把数据区的数组中的第一项存入一个寄存器.我们可以通过对a0,即地址进行操作,来遍历.对于数组,每次变更4,即addi,a0,a0,4,对于字符串,则变更1.对于一个整数,则只需要lw a1,a即可取出a中的数据并且存入a1中.(翻译者对寄存器了解不深刻,只知道用a...和t...寄存器一般没什么影响)
获取了数据,就可以对数据进行处理:加减法:可以直接用addi加立即数的方式来实现,也可以li加载一个立即数,然后再用add来实现;乘法,有mul,注意它不能乘以立即数,需要先用li加载立即数.当然,也可以用循环的形式来处理数据.
循环的基础写法:li a0,10(加载一个立即数),建立子例程: loop:____,loop中必须包括:对循环次数的更替:addi a0,a0,-1,即自减;重复进行循环:在子例程的最后,需要写j loop来跳回循环的开始;对循环次数是否结束的判断:
判断与分支:常用的判断是:beq a0 x0 label,(x0恒定为0,千万别改变x0),这是一个用来判断a0是否为0的判断,在上述的循环例子中,很明显,这是用来跳出循环的,后面的label写一个循环体外的label即可跳出循环.
数据的存储:即将一个数据存储到另一个寄存器中.和lw指令相反,这个不多说了.
至此,已经基本实现了一个基础的,包含循环的汇编程序.我们想通过调用输出,来检验自己写的对不对.下面是输出的写法.在汇编语言中,只有在寄存器a0中的值可以被输出,我们要做的就是把其他寄存器的值加载到a0中,最简单的方式就是(我们假定我们想输出的那个值在t0寄存器中)mv a0,t0,li a7,1,ecall,这三条语句.第一条mv为移动,第二条为输出指令,必须为a7,后面的立即数,为1时输出int型,为4时输出字符串.ecall为系统调用.这是想要输出一个寄存器里面的值,如果我们想要输出一个.data里面的字符串,那么应该la a0,str,即把str的地址加载到a0.如果想输出一个.data里面的int,应该lw a0,a,然后输出.
结束程序:li a7,10,ecall
关于字符串类型的特别说明:其实对于字符串的处理就和处理数组是一样的,都是先用la获取地址,根据地址逐项处理.不同的是字符串处理时,地址一次只更改1点,且不能使用lw和sw,而是用lb(lbu)和sb来进行读取/存储

从下面开始是翻译者基本没理解透的东西,但是这样写代码应该是对的

子例程调用:就和C语言的函数一样,就是新建一个函数,方便使用.那么,既然是个函数,肯定会有参数,汇编中子例程是没有自己的参数的,而是通过在主函数中就已经设定好某些寄存器中的数值,子例程内部直接去处理这些寄存器当中的数值即可.

1.格式:子例程名称label:addi,sp,sp -4n(n>=该子例程使用sw的次数为了保险,我们一般都选择比sw的次数大1的数.),sw ra,0(sp),一系列处理,lw ra,0(sp),addi sp,sp,4n(与上面那个是同一个n),ret.上面是最基础的,不在子例程中使用其他sw的样例.如果在子例程中使用了其他的sw,说明该寄存器在该子例程中被写入其他的数据,那么在子例程的末尾,需要用lw来恢复数据.简单来说,例如:sw a0,4(sp)(意思是将a0中的数据存入a0中,方便空出a0寄存器,存别的内容),那么在ret这条指令前,就要先lw a0,4(sp),即把a0的数值恢复到子例程之前.
2.如何调用子例程:jal ra,label
3.很遗憾我并不知道这是什么原理,但是照着这个格式写,程序确实是对的()切记不要对ra和sp进行额外的操作.

递归:即在子例程之中调用自身.调用依旧用的是jal ra,label.和调用子例程没有什么比较大的区别.唯一要注意的是,在递归到最基础的情况时,相当于该子例程调用结束,前面的sw的需要用lw恢复,前面对sp的修改在这里要补回来,然后用ret结束该子例程
上述只是一种基于C语言的翻译,其实如果你能写出C程序,借助上述翻译应该是能写出来一些程序的!快去试试吧(x)
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八.CPU中央处理器

机器指令的执行阶段

取指令->译码->执行->访存->写回
2.单周期CPU的数据通路设计
（好像不是）//
步骤：1.PC更新，从IR中取指令 2.把指令分割成几个部分 3.控制器接受部分指令，生成控制指令 4.寄存器堆根据部分指令，输出对应的值 5.ALU接受寄存器堆输出的值，根据控制器的控制指令做出判断
6.写回结果

Z和X都是临时寄存器，进行PC+4的操作，psw用来比较两者是否相等//

此处开始是
2.1单周期的指令长度由所有通路中最长的数据通路决定

九机器语言和汇编语言
1 结构化程序设计（选择，循环，顺序）

用MIPS写程序也类似，对变量赋值->写循环or判断or顺序结构
2 MIPS指令
2.1
.align表示地址是2^n的倍数，一般是.align 2
.data表示数据区，后面可以存word（数字），string，byte可以用来存储字符这种（类似数组）
.text表示代码区，后面要跟上.global main 换行 main:
2.2 结构
分为标记，操作码，操作数，注释
2.3 汇编过程如何实现
扫描两次：第一次扫描：记录所有的标签，建立符号表（标签名->地址的映射）；第二次扫描：根据符号表生成对应的机器码

十.c语言和汇编
1 高级程序语言的翻译特性以及优缺点
高级语言需要经过（翻译）的过程才能变成机器语言
1.1 解释：需要解释器读入高级语言编写的程序，执行程序员的指示；解释性语言不是由计算机执行，而是由解释程序执行的（不能一次性解释完整个程序）
优点：容易开发和调试，灵活，迭代快
1.2 编译：一个程序被编译一次就行，由计算机执行
优点：可以产生更高效的代码，能够更有效利用内存，程序执行更快，稳定，性能好
2 c语言翻译成MIPS语言的步骤（C语言编译器会把C语言转化成汇编语言，再把汇编语言转化成机器语言）
四个步骤：预处理->编译（转化成汇编语言）->汇编（转化成机器语言）->链接（将外部函数/多个文件和库文件合成一个可执行文件）

十一,十二.输入与输出
1.主要的输入输出设备（输入：键盘，鼠标，磁盘；输出：显示器，打印机，磁盘）
2.字符设备（键盘、显示器：一个字符，一个字符的读写），块设备
3.内存映射寄存器（每一个IO设备都被分配给一个存储器地址空间中的地址）
4.IO的轮询模式（为了处理异步问题，需要反复询问KBSR/DSR[0]是不是1，只有1才进行接下来的赋值）
5.操作系统的自陷机制（用户程序通过自陷指令，把控制权交给操作系统；操作系统有适当的特权级别，可以操控硬件寄存器，实现IO行为）
6.用户态，内核态（从用户态进入内核态：syscall;内核态返回用户态：eret）

十三.子例程
1.子例程的调用，返回机制
调用机制：加载子例程的起始地址，加载到PC，保存返回地址（R31为返回地址寄存器）；返回机制：将返回地址加载到PC中
2.jal,jr
jal:jump and link 格式：jal target跳转到目标地址，同时自动保存返回地址到r31(PC+4)（常用于调用机制）
jr :jump register 格式：jr $r（某个寄存器）跳转到寄存器保存的地址（常用于返回）
3.调用者，被调用者，寄存器的保存和恢复
（完成寄存器的保存和回恢复，否则子例程可能会改变某些寄存器的值）

（先加载寄存器的地址，再把$8的内容加载到$9，最后把$9加载到$8）
（也可以通过调用者保存寄存器）
*如果子例程又调用了子例程，则只能采用caller-save(调用者保存的策略)