一、处理器体系结构

相关定义

处理器到底是什么：程序员眼中的计算机组织方法
体系结构要素：指令集和操作数的组织方式（内存、寄存器）
指令集就是计算机体系结构开的处方，指定计算机需要的能力。指令集应该对机器语言程序员可见。指令集是区分不同处理器的关键标志。
操作数是参加某种功能操作的数据。
双操作数：利用两个操作数进行工作来产生一个结果。
三操作数：两个源操作数和一个目的操作数。
ALU：算术/逻辑单元，进行ADD、SUB、AND、OR等运算、
寄存器（Register）：在处理器内部，靠近ALU，速度极快，成本昂贵。
操作数的可寻址性：内存内容增加->内存地址长度增加->一条指令可能无法存放多个内存地址。
地址线对内存空间的寻址：10根寻1K，20根寻1M，30根寻1G。
可寻址性指的是在内存中可以单独指定的最低精度的操作数。如果是字节寻址，那么单独寻址的最低精度是字节。
数值精度与空间、时间优化的关系：数据变量的数值精度越小，所占用的内存空间就越小。对于精度需求较低的算术/逻辑运算，在处理器和内存之间来回传送数据也会有一定的时间优势。
大端：字的高位在字地址上
小端：字的低位在字地址上

活动记录：栈中与当前执行过程有关的一部分区域。
LC-2200指令集：32位，基于寄存器、小端、固定长度的指令集。有16个通用寄存器和独立的程序计数器。所有地址都是字地址，适用于所有高级语言的功能需求。

基地址+偏移量的寻址模式

ld rdest, offset(rbase)
ld r2, 3(r1)
•语句语义
– rbase内的地址与offset相加，生成新的有效地址
– 取出新的有效地址的内容，放入rdest
• 注释写法
r2←M[(r1) + 3]

函数调用需要处理的问题

保存caller调用者的状态：当调用者调用被调用者时，他自身的某些结果正存储在寄存器中。由于不知道被调用者需要使用哪些寄存器，谨慎的做法是把在过程调用之前先将他们保存起来，在返回时再恢复。将调用点的状态存入栈中，返回时恢复。
参数传递：用处理器的寄存器来实现参数传递。
记住返回地址：JAL rtarget rlink（rtarget用来记录被调用者的起始地址，rlink记录返回地址）J rlink就返回了。
把控制权交给被调用者：在JAL时就把控制权交给了被调用者。
为被调用者的局部变量分配空间：使用栈为局部变量分配空间。
返回值：使用编译器为寄存器的返回值保存。
返回调用点：用J rlink返回调用点。

帧指针引入的目的

函数调用过程中，栈指针的位置可能会发生变化。在栈帧中所有元素的访问都基于栈指针，如果栈指帧的位置发生了变化，则所有元素的访问都会发生变化，最好能够在每个栈中标定一个固定的位置，用来访问其他元素。把这个固定地址存储在寄存器中，就是帧指针。函数调用时，不仅要保存caller的s寄存器组，还要保存caller的帧指针。

LC-2200指令集指令格式

R型指令（Register） add，nand

I型指令（Immediate) addi，lw，sw，beq

J型指令(Jump) jalr

O型指令 halt 中断

二、处理器实现

双端口寄存器（DPRF）：地址线6位，数据线32位，控制线1位。

数据通路原理

PC：提供指令的位置
内存：提供指令的内容
IR：暂存取出来的指令
双端口寄存器：提供两路数据
ALU：对数据进行运算
运算结果写入寄存器堆

基于总线的设计

两点之间必须经过导线的联通才能传递信息
导线很昂贵->共享导线
单总线设计：同一时刻只有一个元件能写，但是多个元件可读。
三态缓冲器（驱动器）：0、1、高阻状态

数据通路设计

处理器（CPU）包含两个主要部分：数据通路（data path）：所有的逻辑资源 控制逻辑（control unit）：为数据通路提供控制信号

控制单元设计

控制单元的本质：FSM（有限自动机）
FSM工作原理：输入和当前状态->输出和新状态
当前状态存储在哪里？状态寄存器
输出和新状态的信息来自哪里？查找表格
表格里的内容会变吗？设计好了就不会变
表格存储在哪里？非易失性存储（ROM）

基于ROM和状态寄存器的控制单元

当前状态：状态存储器
状态存储器->ROM索引
ROM输出状态1->多组控制信号
控制信号驱动数据通路工作
ROM输出2->下一状态
转移至下一状态

箭头左部驱动信号，箭头右部加载信号。

用到的信号填1，没用到的填0.

三、中断、陷入及异常

中断： 一般指外部I/O设备引起的不连续性。与系统的正常运行是异步的。
陷入：程序正常运行过程中发生的操作系统调用 Linux用户模式、程序栈 -> 内核模式特权指令、内核栈，也叫软件中断
异常： 一般由于程序执行错误导致 某些编程语言的异常机制，允许错误传播

Handler的寻址和索引

中断向量表（IVT）：固定大小的handler地址表，存在内存某处，由操作系统维护的数据结构。
每种不连续性都有唯一编号（中断向量），作为其索引。
中断：外部设备产生中断对应的唯一编号
陷入和异常：硬件内部产生对应的唯一编号，存入异常/陷入寄存
器 （ETR)

改进的中断Handler

（PC->$k0，进入Handler时，中断被禁止）在栈上保存$k0
允许中断
保存处理器寄存器内容
执行设备代码
恢复处理器寄存器内容
禁止中断
从栈上恢复$k0
$k0->PC (打开中断，完成跳转）

中断处理的完整流程（从外部INT置位到开始Handler流程）

外部设备置位INT线；
处理器在当前指令周期完成之后，检查INT线；
如果发现有外部中断请求，处理器进入INT宏状态，并置位INTA线；
外部设备收到INTA信号之后，将自己在IVT中的中断向量放到数据线上；
处理器收到中断向量后，在IVT中进行查找，找到其对应的Handler地址，设为0x5000；
处理器将当前PC值存入$k0，然后将0x5000写入PC，开始中断Handler流程。

进入INT宏状态的操作

$k0 <– PC；
由于收到INT信号，置位INTA信号；
从数据线上收取外部设备的中断向量；
从IVT中查找对应的Handler地址A；
PC <- A；
将当前mode存入系统栈；
mode = kernel ；
禁止中断；

为了处理不连续性，体系结构改进汇

一个中断向量表IVT，存储各个Handler的内存地址；
一个异常/陷入寄存器（ETR），包含内部E、T值；
接收外部中断值的硬件机制；
用户/内核模式，以及相应的处理器mode位；
与mode位相关的用户/内核栈；
一种硬件机制：在$k0中保存PC，并能从IVT中检索Handler地址；
3条新指令：禁止中断、运行中断、中断返回

四、处理器性能与流水线处理器设计

衡量程序性能的两个重要的指标：
空间指标：程序的代码和数据需要多少内存空间？（内存印迹，memory footprint）
时间指标：程序执行需要多少时间？
处理器的两种设计思路：
CISC：一条指令，多种操作，内存印迹小
RISC：与CISC互相影响
程序的内存印迹与执行时间没有直接关系
CPI：关注的是单条指令需要的时间，概念Latency（延时）
概念吞吐量 Throughput，关注的是单位时间内执行的指令数目
单位：IPC
解决问题的两个视角：
减少单条指令需要的时间
增加单位时间内执行的指令数目（技术：流水线）

简单的指令流水线的问题

不同的执行阶段可能会用到相同的数据通路资源
结构性冒险
解决办法：增加相应的硬件资源
各个阶段的工作量不一致
解决办法：将周期长的步骤进行切分
加入Buffer的意义：让各个阶段互相独立。解耦

指令流水线的数据通路元件

双ALU、I-MEM、D-MEM、寄存器堆读写冲突处理（后）
MEM读写速度慢，解决方法：缓存机制
每个指令周期：5，全局等效CPI:1

三种冒险

结构性冒险、数据冒险、控制冒险
降低流水线的效率
流水线是同步的，指令无法传递至下一个阶段就会发送“气泡”
“气泡”即NOP空指令
编译器编译后的程序，未加优化时可能出现CPI不高，但是执行时
间很长的情况（三种冒险）

五、处理器调度

**什么是操作系统？**一个为执行用户程序提供资源的程序。
**什么是资源？**处理器、内存、IO
**如何创建一个程序？**从问题描述到内存印迹。

调度基础

有两种主要的调度类型：抢占式调度、非抢占式调度
基本的调度步骤
获得处理器控制权
当前运行的进程的状态保存
选择一个新进程运行
把新选择的进程分发到处理器上运行
运行中的进程的状态是指什么？
PC
寄存器值
程序在内存中的位置
处理器利用率：处理器繁忙的时间比例
吞吐量：单位时间内完成的作业个数
平均周转时间: 作业进入和离开系统所花的平均时间
平均等待时间：作业在系统中需要等待的平均时间
响应时间：系统需要响应用户的时间
饥饿：一个作业一直没有进展（响应时间无限大）
护送效应：防止长时间运行的作业完全占据CPU的使用。

非抢占式调度

进程在CPU上一旦运行，就不受调度器控制。
收回调度权：
进程终止
等待
阻塞式系统调用
三种主要算法：FCFS、SJF、priority

轮转调度算法

五个过程：
分发器
定时器中断处理程序
I/O请求陷入
I/O完成陷入
进程终止陷入

程序三种方式放弃处理器：
I/O请求
结束运行
用完分配时间

六、内存管理技术

静态重定位

在链接器生成可执行文件时，确定进程的内存上下限。
体系结构提供上下限寄存器，PCB负责操作。
分发器分发进程时，设置PCB中上下限寄存器的值，不再更改。
进程替换（swap），进程出入内存使用同样的内存位置。
缺点：原内存空间一旦被占用，被替换出去的进程就无法再被加载。
静态重命名：进程加载时改变内存位置的技术，加载器将修改原程序中所有与内存地址相关的语句。

动态重定位

体系结构提供：基址寄存器和限长寄存器。
只要能满足进程的内存大小需求，就可以将可执行程序放到内存里的任何位置。
偏移操作在进程加载入内存时发生。
进程被替换出内存之后，不一定返回到之前的地址。

变长分区

最佳适应：
使用大小最合适的内存分区
内部碎片较少，但是搜索时间较长
首次适应 ：
使用第一个大小合适的内存分区
内部碎片偏多，但是搜索速度快
索引方式：按起始地址索引（便于合并），按分区大小索引（便于分配）

缩并

外部碎片超出极限后可以使用缩并技术。代价高昂。

分页的硬件支持

CPU中需要增加一个寄存器：页表基址寄存器 PTBR（Page Table Base Register），存储当前进程的页表的基地址。
PTBR的作用：将虚拟页号翻译成物理页号
页表存在于内核内存空间，每个进程都拥有自己的PTBR，指向自己的页表数据结构。
CPU每次内存请求，实际上要访问几次内存？
第一次：访问当前进程的页表；第二次：访问实际物理内存地址。
效率不高。可以采用缓存机制，加快访问速度

七、输入输出与稳定存储

内存映射I/O

目的：让设备控制器内的寄存器对CPU可见
将外部设备的寄存器，融入到内存地址空间中去。

程控 I/O（PIO）

键盘处理输入具体怎么完成？
– 新字符：存入数据寄存器，设置就绪位
– CPU读取寄存器内容，清除就绪位
CPU读取键盘输入的过程：

1. CPU检查就绪位
2. 如果没有就绪，返回步骤1
3. 读取数据寄存器的值（自动清除就绪位）
4. 将读入的字符存入内存
5. 返回步骤1

DMA

工作机制：内存缓冲区<->设备
计数寄存器：N个字节
内存缓冲区地址：内存地址M开始
设备地址寄存器：内存地址D – 命令寄存器：写入
状态寄存器Go：置位
所有操作通过CPU写寄存器完成
存在与CPU争夺总线使用权的情况

I/O总线与设备驱动的演化

即插即用总线，解决第三方配件与计算机系统的连接问题。
并行总线：PCI（简单，带宽大，距离近，抗干扰差）
串行总线：USB（体积小，便宜，线少，抗干扰强，速度越来越快） PCIe，小型化，速度更快的PCI。显卡、SSD。
设备驱动：用时加载。

八、文件系统

文件的属性叫做元数据（meta data）
元数据需要占用额外的存储空间
可以在文件系统层面创建别名
ln foo bar（硬链接）
ln –s fox box（软连接）
权限的作用：用来指明谁可以访问文件，以及具体能做什么。

Linux命令

更改所有者（管理员权限）：chown rama x
更改组（所有者、管理员）：chgrp cs2200 foo

磁盘可能出现的延迟：

寻找指定柱面的时间
将磁盘的读写头旋转到特定扇区的旋转延迟
磁盘控制器缓冲区的传输时间
控制器缓冲区与系统内存之间的DMA传输时间

空闲链表

包含可用磁盘块的空闲链表
最先适配和最佳适配策略
每个文件对应单一节点，可能存在外部碎片和内部碎片问题
需要周期性缩并磁盘
改进：溢出区域，用于存放越界的大文件

文件分配表FAT

将磁盘分区，每个分区都有FAT
一个特殊的目录，包含了每个文件 到FAT索引的映射关系；-1代表文
件的最后一个磁盘块
比链接分配的故障几率更小
逻辑分区的存在，限制了磁盘空间的使用效率。

索引分配

为每个文件分配一个索引磁盘块，包含文件所有数据块地址的固定大小的数据结构。
把FAT中每个文件的关联节点提取出来，形成一个新表叫索引节点，i-node。
一个特殊目录包含所有文件名到i-node的映射关系。
用位矢量来维护空闲列表。
优点：随机访问效果更好，因为i-node用一个精简的数据结构聚集了一个文件的所有磁盘块。
缺点：每个i-node的大小固定，存在最大文件限制。
i-node中数据块指针的个数，决定了文件的最大尺寸。

多级索引分配

目的：解决文件大小限制问题
索引节点指向第二层表，第二层表指向数据块
此方法可以再进行多级扩展。
问题：即使访问小文件，也需 要跨多级列表，效率低

最后

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