Computer Systems(A Programmer's Perspective)

本文参考《深入理解计算机系统》机械工程出版社

Chapter 1 计算机系统漫游

1.1 引入案例hello.c

代码

#include <stdio.h>
int main()
{
	printf ("hello world\n");
	return 0;
}

编译过程

运行hello程序 P7

1.2 重要概念

1.2.1 系统的主要硬件

• 总线
• I/O设备
• 主存
• 处理器

1.2.2 存储设备的层次结构

1.2.3 进程、虚拟内存和文件

1.2.4 系统间网络通信

1.2.5 并发和并行

  并行是指两个或者多个事件在同一时刻发生；
  并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
  在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。
  倘若在计算机系统中有多个处理器，则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理器上，实现并行执行，即利用每个处理器来处理一个可并发执行的程序，这样，多个程序便可以同时执行。

  并行可以在计算机系统的多个抽象层次上运用
由高到低的三个层次

• 线程级并发：一个进程执行多个控制流（多个CPU）
• 指令级并行：CPU同时执行多条指令
• 单指令、多数据并行：允许一个指令产生多个可以并行执行的操作

1.2.6 计算机系统中的抽象

Chapter 2 信息的表示和处理

Chapter 3 程序的机器级表示

ATT 与 Intel 汇编代码格式的不同

• Intel 代码省略了指示大小的后缀，我们看到指令 push 和 mov，而不是 pushq 和 movq
• Intel 代码省略了寄存器名字前面的 ’%‘ 符号，用的是 rbx，而不是 %rbx
• Intel 代码用不同的方式来描述内存中的位置，例如是 ’QWORD PTR [rbx]‘ ，而不是 ’(%rbx)‘。
• 在带有多个操作数的指令情况下，列出操作数的顺序相反。当在两种格式之间进行转换的时候，这一点非常令人困惑。

Chapter 4 处理器体系结构

4.1 基本概念

  本章主要介绍一个处理器的硬件和指令，以及处理器的工作原理
  本章定义了一个ISA为“Y86-64”指令集，数据类型、指令、寻址方式都比x86少些，设计它的CPU译码逻辑也比较简单，但足够完整。
指令集体系结构ISA
  一个处理器支持的指令和指令的字节级编码
  ISA在编译器编写者和处理器设计人员之间提供了一个概念抽象层，编译器编写者只需要知道允许哪些指令，以及它们是如何编码的；而处理器的设计者必须建造出支持这些指令的处理器。

4.2 Y86-64指令集体系结构

定义一个ISA，包括定义

• 各种状态单元
• 指令集
• 指令集编码
• 一组编程规范和异常事件处理

程序员可见的状态：可修改的处理器的某些部分

• 15个程序寄存器：%rax %rbx %rcx %rdx %rsp %rbp %rsi %rdi %r8 %r14
• 3个一位条件吗：ZF、SF、OF
• 程序计数器PC
• DMEM内存
• 状态码Stat：表明程序执行的总体状态，会指示是正常运行，还是出现了某种异常

指令

• 4个movq指令：irmovq、rrmovq、mrmovq、rmmovq。显式地指明源和目的操作数。第一个字母表明源类型，可以是立即数（i）、寄存器（r）和内存（m），第二个字母表示目的类型，可以是寄存器（r）或内存（m）
  内存传送指令中的内存引用方式是简单的基址+偏移量形式
  不允许内存间直接传数据，也不允许将立即数传送到内存
• 4个整数操作指令：addq、subq、andq、xorq。只能对寄存器数据进行操作，x86可对内存操作，这些指令会设置3个条件码ZF、SF、OF
• 7个跳转指令：jmp、jle、jl、je、jne、jge、jg。
• 6个条件传送指令：cmovle、cmovl、cmove、cmovne、cmovge、cmovg。
• call指令：将返回地址入栈，然后跳到目的地址。
  ret指令：从调用中返回
• pushq和popq：入栈和出栈
• halt：停止指令的执行，并将状态码设置为HLT

指令编码
见书P246

异常
状态码Stat

值	名字	含义
1	AOK	正常操作
2	HLT	遇到器执行halt指令
3	ADR	遇到非法地址
4	INS	遇到非法指令

4.3 逻辑设计和硬件控制语言HCL

在当前技术中，逻辑1是用1.0伏特左右的高电压表示的，逻辑0是用0.0伏特左右的低电压表示的。

要实现一个数字系统需要三个主要的组成部分

• 计算对位进行操作的函数的组合逻辑
• 存储位的存储器单元
• 控制存储器单元更新的时钟信号

现代逻辑设计

• HDL：一种文本表示，用来描述硬件结构而非程序行为的
• Verilog：语法类似C
• VHDL：语法类似Ada

组合逻辑