408-22新大纲知识点

1.数据表示和运算

1.1.补码加减运算器、标志位

• 传统补码手算：
  • 加法：直接相加，溢出舍弃
  • 减法：X-Y，Y连符号位一起全部取反末位+1，减法变加法
• 电路：
  • 无符号数也可以使用此电路，但二者判断溢出逻辑不同
• 标志位（都在PSW状态字寄存器中）

OF (Overflow Flag)	溢出标志	溢出时为1否则置0	最高位 异或 次高位，只在有符号数运算有意义
SF (Sign Flag)	符号标志	结果为负时置1,否则置0	取结果最高位，只在有符号数运算有意义
ZF (Zero Flag)	零标志	运算结果为0时置1，否则置0	运算结果全部位为0
CF (Carry Flag)	进位/借位标志	进位/借位时置1否则置0	最高位进位 异或 sub值(减法为1)，只在无符号数运算有意义

1.2.乘法电路

• 电路图：

• 有符号数 乘法 算法：

  • 辅助位 一开始设为0

    • 辅助位 - Y中最低位 = 1时，(P)+[X]补
    • 辅助位 - Y中最低位 = 0时，(P)+[X]补
    • 辅助位 - Y中最低位 = -1时，(P)+[-X]补

  • 算数右移时，用符号位补空位

  • 此处用单符号位运算，n位右移后不用最后再来一次加法

1.3.除法电路

本质上是把n位数扩展为2n位，对n位数做除法得到n位商。定点正小数，低位补0；定点正整数，高位补0

• 电路图：
• 需要的基本结构：
  • ALU
  • 移位寄存器：乘法右移，除法左移
  • 控制逻辑：加减信号（向ALU）、右移/左移信号（向寄存器）、写使能信号（向寄存器）
  • 计数器Cn：记录还剩几轮处理

2.固态硬盘

• 基于闪存技术 Flash Memory, 属于电可擦除ROM，即EEPROM
• 组成
  • 闪存翻译层 ：负责翻译逻辑块号，找到对应页 (Page)
  • 存储介质：多个闪存芯片(Flash Chip) ，每个芯片包含多个块(block) ，每个块包含多个页(page)
  • 示意图：
• 读写性能特性
  • 以页 (page)为单位读/写：相当于磁盘的“扇区”
  • 以块 (block)为单位擦除：擦干净的块，其中的每页都可以写一次，读无限次
  • 支持随机访问：系统给定一个逻辑地址，闪存翻译层可通过电路迅速定位到对应的物理地址
  • 读快、写慢：要写的页如果有数据，则不能写入，需要将块内其他页全部复制到一个新的（擦除过的）块中，再写入新的页
• 与机械硬盘相比
  • SSD读写速度快，随机访问性能高，用电路控制访问位置；机械硬盘通过移动磁臂旋转磁盘控制访问位置，有寻道时间和旋转延迟
  • SSD安静无噪音、耐摔抗震、能耗低、造价更贵
  • SSD的一个“块”被擦除次数过多可能会坏掉， 而机械硬盘的扇区不会因为写的次数太多而坏掉
• 磨损均衡
  • 思想：将”擦除平均分布在各个块上，以提升使用寿命
  • 动态磨损均衡：写入数据时，优先选择累计擦除次数少的新闪存块
  • 静态磨损均衡：SSD监测并自动进行数据分配、迁移， 让老旧的闪存块承担以读 为主的储存任务， 让较新的闪存块承担更多的写任务

3.多处理器

3.1.SISD、 SIMD、MIMD、向量处理器

• SISD(单指令流单数据流)
  • 各指令序列只能并发、不能并行，每条指令处理1个数据。不是数据级并行技术
  • 一个处理器 + 一个主存储器。若采用指令流水线，需设置多个功能部件，采用多模块交叉存储
• SIMD(单指令流多数据流)
  • 各指令序列只能并发、不能并行，但每条指令可同时处理很多具体对象。是数据级并行技术
  • 一个指令控制部件（CU） + 多个处理单元/执行单元（如ALU） + 多个局部存储器 + 一个主存储器
  • 每个执行单元有各自的寄存器组、局部存储器、地址寄存器。不同执行单元执行同一条指令，处理不同的数据
• MISD：理论存在
• MIMD(多指令流多数据流)
  • 各指令序列并行执行， 分别处理多个不同的数据。是一种线程级并行、 甚至是线程级以上并行技术
  • 多处理器系统
    • 各处理器之间，可以通过LOAD/STORE指令，访问同一个主存储器，可通过主存相互传送数据
    • 多个处理器 + 一个主存储器。共享单一的物理地址空间
    • 多个处理器共享单一的物理地址空间
  • 多计算机系统
    • 各计算机之间， 不能通过LOAD/STORE指令直接访问 对方的存储器， 只能通过“消息传递”相互传送数据
    • 多个处理器+多个主存储器。物理地址空间相互独立
• 向量处理机
  • 条指令的处理对象是“向量”。擅长对向量型数据并行计算、浮点数运算
  • 常被用于超级计算机中，处理科学研究中巨大运算量
  • 多个处理单元，多组“向量寄存器”
  • 主存应采用“多个端口同时读取”的交叉多模块存储器
  • 主存大小限定了机器的解题规模，因此要有大容量的、集中式的主存

3.2.硬件多线程

• 细粒度多线程：多个线程轮流交叉执行指令，多线程之间的指令不相关，可以乱序并行执行
  • 处理器能在每个时钟周期切换线程
• 粗粒度多线程：仅在一个线程出现了较大开销的阻塞时，才切换线程，如Cache缺失
  • 发生流水线阻塞时，必须清除被阻塞的流水线，新线程的指令开始执行前需要重载流水线。线程切换的开销更大
• 同时多线程（SMT）
  • 在同一时钟周期中，发射多个不同线程中的多条指令执行

4.汇编

• 算数逻辑运算

  • OP, 目的地址, 源地址

  • 加、减、乘、除：OP: add、 sub, mul、 div

  • 左移、右移：shl、 shr

• 分支结构

  • 判断条件(本质是减法)：cmp A, B，结果放到PSW中
    • 无符号数减法关注CF、ZF（进位、零）
    • 有符号数减法关注OF、SF、ZF（溢出、符号、零）
  • 跳转指令
    • jxxxx（条件跳转)
    • jmp（无条件跳转)，相当于C语言的goto
    • 转移指令，通常采用相对寻址。用补码表示偏移量，补码的值通常意味着要往前/往后跳多少个地址指令
• 循环结构
  • xxx loop xxxx label：原理同跳转指令
  • 条件跳转指令 jxxxx 也可以用于实现循环
• 函数调用
  • 调用指令：call label
    • 修改PC的值，跳转到label
    • call指令会将当前函数的相关信息入栈，这点与直接跳转不同
    • 入栈信息：当前PC
  • 返回指令：ret
    • 当前函数的信息出栈
    • 恢复上一层函数的运行现场，包括栈底指针ebp、程序计数器pc等