第一章 简介

「软件」如何由代码得到程序？

• 预处理阶段：将源程序test.c进行预处理成test.i，例如将头文件、宏命令补全等等
• 编译阶段：编译器将文本文件翻译成文本文件test.s包含了一个汇编语言程序
• 汇编阶段：汇编器将汇编语言程序翻译成机器语言指令test.o
• 链接阶段：将函数等单独预编译的目标文件合并到主程序中，得到可执行文件

「硬件」计算机如何运行程序？

硬件组成

• 总线

  • 字（word），字长

• I/O 设备

  • 输入/输出

  • 控制器、适配器

• 主存

  • 存放程序指令和数据

  • 一个字节数组，每字节具有唯一地址

• 处理器

  • 解释（执行）指令

  • 程序计数器（PC）指向内存中某条指令

  • 执行操作：加载、存储、操作（运算）、跳转

hello.c程序运行样例：

1. 读取hello命令

1. 从磁盘加载可执行文件到主存

1. 从主存输出字符串到显示器

储存器层次结构 Memory Hierarchy

上一层的存储器作为下一层储存器的高速缓存

「抽象表示」

操作系统抽象层次

• 文件——I/O设备
• 虚拟内存——程序储存器
• 进程——正在运行程序
• 虚拟机——整个计算机

几个抽象概念

• 进程

  

• 线程

• 虚拟内存

  

• 文件

Amdahl定律

当我们对系统某个部分加速时，其对系统整体性能的影响取决于该部分的重要性和加速程度。

加速比计算：S=1(1−α)+α/kS={1\over(1-α)+α/k}S=(1−α)+α/k1​

α:该部分占比时间;k:性能提升比例\alpha : 该部分占比时间; k : 性能提升比例α:该部分占比时间;k:性能提升比例

并发与并行

• 线程级并发
  • 线程
  • 单处理器
  • 多核处理器
  • 超线程
• 指令级并行
  • 流水线
  • 超标量
• 单指令、多数据并行
  • SIMD
  • 视音频处理

第二章 信息的表示与处理

2.1 信息储存

字数据大小

寻址和字节顺序

• 一个block为8位，是两个十六进制数值。
• 跨越多个字节的程序对象如何在内存中储存？
  • 连续的字节序列
  • 地址为所有字节中最小的地址
• 大端法与小端法
  • 大端法：最高有效字节在最前面
  • 小端法：最低有效字节在最前面

C语言中的位级运算

应用 - 掩码运算

• 0 屏蔽, F取值。

移位运算

• 左移运算 x << k: 右端补kkk个000
• 右移运算 x >> k
  • 逻辑右移（unsigned）：左端补kkk个000
  • 算术右移（signed）：左端补kkk个原最高位值

2.2 整数表示

无符号数的编码 B2Uw()B2U_w()B2Uw​()

Binary to Unsigned int:

• 按正常位进行权运算
• 范围：[0,2w−1][0,2^w-1][0,2w−1]

补码编码 B2Tw()B2T_w()B2Tw​()

Binary to Two’s-complement:

• 除去最高位取负号运算以外，其他位按权运算

• 最高位决定了符号（可以以符号位进行理解），111为负

• 非负数时B2UwB2U_wB2Uw​ 和 B2TwB2T_wB2Tw​ 值相同

• 范围：[−2w−1,2w−1−1][-2^{w-1},2^{w-1}-1][−2w−1,2w−1−1]

• 000...000=0000...000=0000...000=0; 111...111=−1111...111=-1111...111=−1

有符号数和无符号数之间的转换 T2Uw()T2U_w()T2Uw​() & U2Tw()U2T_w()U2Tw​()

• 减掉最高位的权+1

• 加上最高位的权+1

C语言中的有符号数和无符号数

当表达式中的unsigned 和 signed 混用时，signed 将被强制转换为unsigned

注意：sizeof() 本身就是 unsigned long

下面这个例子将会发生内存错误：

unsigned i;
for (i = n - 1; i >= 0; --i)   // i 总是大于零，无法跳出循环f(a[i]);

扩展一个数字的位表示

无符号数

零扩展

有符号数

符号扩展，假如是负数，扩展111；假如是正数，扩展000

• 在C语言中，遇到符号、大小同时需要转换的情况，先转换大小，最后转换符号

截断数字

删除最高位。本质上其实是取模运算。 补码运算来说，如果最高位有很多个重复的1，则可以删除前面的进行运算。

2.3 整数运算

无符号加法

定义：www 位无符号整数 xxx，yyy 之和：将 x+yx+yx+y 截断成 www 位后的无符号数。

溢出：发生了截断的操作。

运算符：+wu+_w^u+wu​

无符号数求反：−wu-^u_w−wu​

/* 检测是否会溢出的函数 */
int uadd_ok(unsigned int x, unsigned int y)
{unsigned int sum = x + y;return sum >= x;
}

补码加法

定义：www 位补码数 xxx，yyy 之和：将 x+yx+yx+y 截断成 www 位后的补码数。

运算符：+wt+_w^t+wt​

/* 检测是否会溢出的函数 */
int taad_ok(int x, int y)
{int sum = x + y;int neg_over = x < 0 && y < 0 && sum >= 0;int pos_over = x >= 0 && y >= 0 && sum < 0;return !neg_over && !pos_over;
}

补码的非

运算符：−wt-_w^t−wt​

−x=-x=−x= ~x+1x+1x+1

无符号乘法

运算符：∗wu*_w^u∗wu​

做法：按位乘法运算之后，截取最低的 www 位

补码乘法

运算符：∗wt*_w^t∗wt​

做法：按位乘法运算之后，截取最低的 www 位

低位等价性：补码与无符号的乘法产生的位模式相同

/* 检查是否溢出的函数 */
int tmult_ok(int x, int y)
{int p = x * y;return !x || p / x == y;
}

乘以常数

乘以二的幂：x2kx2^kx2k = x << k

乘以不是二的幂 –> 乘法分配律拆成二的幂相加/减的形式

除以 222 的幂

对于无符号数来说，x >> k 逻辑右移，可以产生数值 ⌊x/2k⌋\lfloor x/2^k \rfloor⌊x/2k⌋；这个操作是向零舍入的。

对于补码数来说，x >> k 算术右移，来产生数值 ⌊x/2k⌋\lfloor x/2^k \rfloor⌊x/2k⌋；这个操作对负数是向下舍入的，不好

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