计组笔记_指令、存储

指令系统

指令格式

CPU控制器的主要功能之一：解析指令，协调各部件工作
一台计算机所有指令的集合称为该计算机的指令系统，也称指令集
- 例如：x86、arm、mips
一条指令通常包括两个部分
- 操作码：要做什么
- 地址码：要对谁操作
依照地址码数目分类
- 零地址指令
  - 不需要操作数的情况：如nop（空指令）、hlt（停机）等
    - $ OP $
  - 与栈配合使用，数据已预先压在栈顶：如syscall（系统调用）
- 单地址指令
  - 只需要一个操作数：加1、减1、取反等
    - $ OP(x) \rightarrow x $
    - x：数据的地址，(x)：地址中的内容（间接访问）
    - 三次访存：读OP、读x、写x
  - 需要两个操作数，另一个操作数在栈上/寄存器中
    - 假设隐含在ACC中
    - $ (ACC)OP(x) \rightarrow ACC $
    - 数据压回栈/写回寄存器
    - 两次访存：读OP、读x，ACC是寄存器不算访存
- 二地址指令
  - 需要两个操作数，常用于逻辑运算、算术运算等
  - $ (A1)OP(A2) \rightarrow A1 $
  - 数据写回A1地址指向的区域
  - 四次访存：读OP、读A1、读A2、写A1
- 三地址指令
  - 需要三个操作数，常用于逻辑运算、算术运算
  - $ (A1)OP(A2) \rightarrow A3 $
  - 数据写回新地址A3
  - 四次访存：读OP、读A1、读A2、写A3
- 四地址指令
  - 与三地址指令不同点在于，新增加了一个“下一条指令的地址“操作数
  - $ (A1)OP(A2) \rightarrow A3, A4 $
- …… 以此类推
按长度分类
- 指令字长
  - 整个指令的长度可以发生变化
    - 定长指令字结构
    - 变长指令字结构
  - 和操作码长度、操作数长度、操作数个数都有关
- 操作码长
  - 操作码本身的长度可以发生变化
    - 定长操作码
      - 操作码n位，最多$ 2^n $种
      - 译码器设计简单，灵活性低
    - 可变长操作码
      - 译码器设计复杂，灵活性高
- 机器字长
  - 进行一次整数运算时所能处理的二进制位数
  - 即ALU位数
- 存储字长
  - 主存一个存储单元的二进制位数
  - 即MDR位数
按操作类型分类
- 数据传送类
  - 内存到寄存器
  - 寄存器到内存
- 运算类
  - 算术逻辑操作
  - 移位操作
- 程序控制类：转移/跳转操作
  - 实现程序执行流程的变化
  - 使PC寄存器值发生改变
- 输入输出类

扩展操作码

是一种固定指令字长、可变操作码长的指令结构
以指令固定长为16位，零、一、二、三地址指令均15个为例
- 给指令位分段
  - $ 15=2^4-1 $，零地址指令至少需要4个二进制位
  - $ 16-15=1 $，这一个4位编码可用于表示“扩展”——指令码长于4位
- 构造指令编码
  - 前缀0000～1110为三地址操作码
  - 前缀1111留作扩展位，表示此时操作码大于4位
  - 前缀1111 0000～1111 1110为二地址操作码
  - 前缀1111 1111留作扩展位，表示此时操作码大于8位
  - 前缀1111 1111 0000～1111 1111 1110为一地址操作码
  - 前缀1111 1111 1111保留
  - 1111 1111 1111 0000～1111 1111 1111 1110为零地址操作码
  - 1111 1111 1111 1111未用
习题例子
设计时的要求（类比计算机网络哈夫曼编码）
- 不允许短码是长码的前缀
- 不允许操作码重复
- 通常情况下：指令使用频率越高，码长越短

指令寻址

目的：确定下一条待执行指令的指令地址
PC寄存器（程序计数寄存器）始终保存下一条指令的地址
顺序寻址：取指令操作完成后，PC寄存器值自动 + 当前指令字长
- 如果是变长指令字结构：操作码一定会在第一个存储单元（或者第一个字节/第一个能载入寄存器长度的二进制位）中
- CPU判断操作码需要几个操作数（即计算指令字长），以确定如何修改PC
跳跃寻址：由转移指令给出

数据寻址

目的：确定本条指令的地址码（操作数）指明的真实地址
怎么确定指令的地址码采用什么方式寻址
- 统一约定
- CPU预设
- 在地址码前加入描述寻址方式的位，例如地址0010，地址吗0001 0010（立即寻址0010）
  - 形式地址（Address）
  - 有效地址（Effective Address）
隐含寻址
立即寻址
直接寻址
间接寻址
寄存器寻址
寄存器间接寻址
相对寻址
基址寻址
变址寻址
堆栈寻址

存储系统

DRAM

DRAM的刷新
- 多久刷新
  - 2ms为一个周期
- 刷新多少
- 如何刷新
  - 分散刷新
  - 集中刷新
  - 异步刷新：最常用
- 刷新特点
  - 内存芯片自动操作对CPU透明
  - 类似读RAM 但不需选片

主存与CPU的连接

主存容量扩充
- 位扩展
  - 增加同时存储的数据量
- 字扩展
  - 增加能够存储的数据量
    - 线选法
    - 译码器片选法：内存地址连续
      - 译码器的输出默认高电平有效，若配合低电平有效的片选信号需要使用两端带圈的线段连接（表示取非）
- 字位扩展

磁盘存储器

磁盘性能指标
- 磁盘容量
  - 未格式化容量：物理上的用于存储用途的磁化单元总数
  - 格式化容量：实际存储信息的总量，会去除掉坏块、备用块等等
  - 格式化容量 < 未格式化容量
- 记录密度
  - 道密度：半径
  - 位密度：单位圆弧
  - 面密度：道密度x位密度
  - 越内侧的磁道位密度越大
- 平均存取时间：加和
  - 寻道时间：机械臂移动
  - 旋转延迟时间：盘片旋转
    - 没有明确给出则按半圈计算
  - 传输时间：磁头在盘片上，盘片继续旋转
- 数据传输率
  - 磁道容量*转速
磁盘地址
- 驱动器号
- 柱面/磁道号
- 盘面号
- 扇区号
工作过程
- 寻址
- 读盘
- 写盘
- 是独立的操作有控制字
  - 取控制字
  - 执行控制字
- 读写串行不同时进行
  - 与主机连接需要串行-并行开关
磁盘阵列
- RAID 廉价冗余磁盘阵列
- RAID 0~6
  - RAID 0：无冗余无校验磁盘阵列
    - 相邻扇区依次存放至不同磁盘，提高速度（条带化）
  - RAID 1：镜像磁盘阵列
    - 同一个数据拷贝并放两个磁盘，浪费100%空间
  - RAID 2：海明码磁盘阵列
    - 数据和数据的海明码放两个磁盘，浪费75%空间
    - 只能纠一位错
  - RAID 5：无独立校验的奇偶校验磁盘阵列
    - 空间浪费：1/N，N是磁盘数
    - 用到了异或特性不是奇偶校验码最多一次只能坏一块盘

固态硬盘

基于闪存技术Flash Memory，也即E2PROM
主控：闪存翻译层
- 主机提供逻辑块号闪存翻译层转换为物理块号
- 一个SSD硬盘包含多个闪存芯片
- 一个闪存芯片包含多个数据块
  - 一般512K一块
  - 因此属于“块设备”
- 一个块内包含多个数据页
  - 一般0.5K~4K一页
读写特性
- 一次读一个块
  - 无用数据会被丢弃
- 一次写一个页
- 一次擦除（删除）一个块
  - 如果只需擦除块中的几页，需要先将其他页复制到其它块
- 直观现象：读快写慢
- 通过电路选页选块，速度极快
相比机械硬盘来说
- 电路代替盘片旋转和磁头移动，速度大幅提升
- 体积小，安静无噪音，抗震
- 价格高
- 擦除次数过多会磨损导致损坏
  - 引入磨损均衡技术
    - 将擦除尽量平均分布在各个块上
    - 动态磨损均衡：写入时找擦除次数更少的块
    - 静态磨损均衡：由主控自动监测处理，让老块多读、新块多写
- 正常使用情境下，寿命很长，可以接受

Cache

内存速度无法匹配CPU速度，导致性能问题，如何解决？
- [[TODO]]
局部性原理
- 空间局部性：数据
  - 数组
- 时间局部性：指令
  - 循环
如何让Cache代替部分RAM？或者说如何将RAM拷贝入Cache？：Cache-主存映射方式
- 全相联映射
  - 自由存储
  - 存储时保存完整的标记位，读取时依次检查各Cache块的标记位
  - Cache利用率最高
  - 读取时时间消耗最大
- 直接映射：完全不相联
  - 存放位置与RAM中地址紧密相关
  - 也记录标记，但标记位数最短
  - 读取时间最短
  - Cache利用率最低

虚拟存储器

由主存和辅存共同组成，统一编址
应用局部性原理，只有当辅存中的数据需要用到时才会调入内存
- 辅存和主存对编程人员来说边界更加模糊了
- 例如：打开文件时无需了解文件的哪些数据在主存哪些数据在辅存、地址各是多少
同样存在数据的替换问题和数据的一致性问题
- 处理一致性问题是只使用回写法：辅存速度太慢，全写法不现实
页式虚拟存储器
- 扩展的页表：逻辑页号，物理页号，辅存页号，有效位（是否已经调入主存），脏位（数据是否被修改且没回写），访问位（配合LRU算法等）
- 页也可以称作块
段式虚拟存储器
- 段按照功能划分，不同段的大小可能不同
- 段表：需要段号、段的起始地址、段的长度、有效位、脏位等
段页式虚拟存储器
- 既有段表也有页表，先分段再在段内分页
- 一个程序一个段表，一个段一个页表
- 调入和替换等仍以页为单位

CPU访问内存的大体流程

程序提供数据的逻辑地址
- 逻辑页号
- 页内偏移（页内地址）
CPU依据逻辑页号查找页表
- 先查找TLB，TLB命中则直接获得物理页号
- TLB未命中则访问DRAM中的页表查找，找到后将页表项（键值对）复制到TLB
拼接物理页号和页内偏移得到物理地址
访问物理地址指向的DRAM块
- 假设1：先找Cache再找DRAM方式
- 假设2：拥有L1和L2两级缓存
- 从Cache中找寻DRAM数据
  - 在L1缓存中查找，若找到则继续
  - L1缓存未命中，则在L2缓存中查找，若找到则继续
- 从DRAM中读取数据
  - L1、L2 Cache均未命中，则读取DRAM中的数据，并将数据替换至L1缓存中
  - 假设3：使用LRU算法作为Cache替换算法
  - [[TODO]]