计算机体系架构学习笔记

RISC:精简指令集，低功耗低性能，以ARM为代表。
CISC:复杂指令集，高功耗高性能，以INtel为代表。

一段C代码如何变成可执行的代码
hello.c >> 预处理器 >> hello.i >> 编译器 >> hello.s >> 汇编器 >> hello.o + printf.o >> hello 过程如下图

计算机系统层级：
用户模式(User Mode): 在用户模式下，代码没有对硬件的直接控制权限，也不能直接访问地址的内存。程序是通过调用系统接口(System APIs)来达到访问硬件和内存。在这种保护模式下，即时程序发生崩溃也是可以恢复的。在你的电脑上大部分程序(Application programs)都是在用户模式下运行的。
内核模式(Kernel Mode): 在内核模式下，代码具有对硬件(虚拟内存，操作系统，进程，内存，io device，处理器。)的所有控制权限。可以执行所有CPU指令，可以访问任意地址的内存。内核模式是为操作系统最底层，最可信的函数服务的。在内核模式下的任何异常都是灾难性的，将会导致整台机器停机。

堆栈

堆栈的基本概念：
1.堆栈是一段连续的存储空间
2.后入先出的工作方式
3.只能从栈顶取出数据
4.能保持数据的执行顺序

用处：保存函数调用的返回地址，应对函数跳转指令（比如JMP指令）

堆栈指针寄存器Rsp: 用于保存一个地址，地址指向堆栈使用的内存地址，也就是栈顶。

关于堆栈只有两条指令：PUSH和POP;
PUSH：把内容加入到堆栈顶端，⼊栈时递减堆栈指针
POP：将堆栈顶端的内容弹出；弹出后，⾃增堆栈指针
汇编用法：

push ax：将寄存器ax中的数据送入栈中；
pop ax ：从栈顶取出数据送入ax。

堆栈在函数中的使用：
函数顺次被调用 >> 堆栈顺次保存函数返回地址(下一条指令的地址) >> 执行函数 >> 堆栈逆序弹出返回地址，用作下一条指令的地址。

汇编转C
source:源操作数; dest:目的操作数.操作数有三种类型
立即数（Imm）——用数字文本表达式
寄存器操作数(Reg)——使用 CPU 内已命名的寄存器
内存操作数(Mem)——引用内存位置（指针存储）
reg:寄存器
mem:存储器
下图中：有括号代表地址，用指针变量表示(目的操作数是Mem类型)，无括号代表变量，用寄存器变量表示。

计算地址实例：%rdx: 0xf000; %rcx: 0x0100;

xPSR是状态寄存器：记录 ALU 标志（0 标志ZF，进位标志CF，负数标志SF，溢出标志OF），执行状态，以及当前正服务的中断号，以下是 ALU 标志的理解实例；

D锁存器：

时序分析：
1）Clock = 1 Q+ 等于 D (透明)
2）Clock = 0 Q+ 等于Clock 变为低电平时的D
下图为有延迟情况

累加器电路：

时序分析：
1）上升沿输出;
2）上升沿期间Load是高电平就装载In的内容，是低电平就累加；
(tips: Load为高电平，重新装载，前面的内容清空，输出的累加是重新装载的)

C语言if…else转汇编
指令cmpq: 比较大小，即两个数做减法，仅修改标志位
指令jle ：前<=后就跳转 Jump if less or equal

C语言CASE语句转汇编
ja: ⼤于则跳转

计算机执行代码过程：
1.取指：读9个字节，PC+9;
2 译码：读栈指针
3 执行：栈指针减去8；
4 访存：把增加的PC写入新的栈；指针指向新的值；
5 回写：更新栈指针

数据冒险：source和destination相同时可触发
当前指令需要前一条指令的计算结果，往往会造成阻塞。
解决冒险的方法
1.调整顺序
2.推迟执行
3.前推策略

控制冒险
控制冒险即跳转指令的冒险。跳转时，需要根据前面某条指令的结果确定分支的选择。
解决方法：停顿

超标量流水线
每个时钟周期可并发多条独立指令，即以并行操作方式将两条或多条指令编译并执行，为此需要配备多个功能部件。

乱序执行
下一条指令的执行不依赖前面那条延时较长的指令，只要有了操作数就能执行，此时可以打乱机器指令顺序，就算指令在后面，只要能执行，就先执行。

虚拟内存
MMU（ Memory manage unit）设置在总线上的内存管理单元，是用于虚拟内存映射到物理内存的硬件。
①Processor（处理器）生成虚拟地址；
②MMU 生成 PTEA(页表条目地址)从内存的页表中请求内容；
③ 内存中的页表返回相应的 PTE 值；
④ PTE 的有效位是 0， MMU 触发异常，转到异常处理程序；
⑤ 异常处理程序确定内存中的牺牲页，并将其写会到磁盘上；
⑥缺页处理程序页面调入新的页面，更新 PTE。
⑦ 由于 PTE 已经被更新好了，重新发送虚拟地址到 MMU（后面就和命中的过程一样了）

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