计算系统基础乱写
第一章 引言
图灵机。程序表：（当前状态标号，当前方格符号）加（修改后符号，移动方向，下一状态标号）
算法：有限性，确定性，有效可计算性；
第六章 数据的机器级表示
补码就是 2^k 减原数；符号扩展就是复读符号位。
[sgn:1] [exp:8] [frac:23]
exp==255: frac==0, Inf
frac!=0, NaN
exp==0 : 2^(-126) * 0.frac
default : 2^(exp-127) * 1.frac
解释一下这个为什么不对称：规格化导致 frac 必然是 \([1,2)\) 里面的，而如果在 exp==254 处拆表示方式，必然需要将二进制位放到小数点左边，这样就需要额外信息了。
第七章 数字逻辑电路
晶体管：
- 金属氧化物半导体 Metal-Oxide Semiconductor，栅极 Gate，源极 Source，漏极 Drain。
- N-MOS 栅极通电则导通，P-MOS 栅极通电则断开。P-MOS 图示上栅极有个圆圈。
- 物理结构上源极和漏极完全相同。载流子从源极向漏极移动形成电流，N-MOS 为电子，P-MOS 为空穴。
- CMOS 为同时含有两种 MOS 晶体管的电路。
门电路：
- 把输入同时连上 N-MOS 和 P-MOS 相当于 if-else，则可实现 NOT。由此，利用串联并联实现 AND/NOR 即可。
- 注意要输出 0 必须连 GND，不能不连。
组合逻辑电路：
- 译码器：多路 AND；
- 多路选择器：选择信号与输入做 AND。
- 全加法器接受三个输入，输出二进制表示的结果。拿译码器硬凑就行。
- 可编程逻辑阵列 Programmable Logic Array，就是译码器 + 接线 + 一坨 OR。
- 逻辑完备性 Logical Completeness，即任意逻辑函数可使用给定的门集合实现。
R-S 锁存器：
- 可以存储 1 位的信息。
- 结构：S NAND B = A，R NAND A = B
- 存储：R = S = 1，此时 A XOR B = 1，称为存储了 A 的值。
- 设置：将 S 设为 0 并改回，此时 A 被设为 1。
- 注意：若令 R = S = 0，则 A, B 均变为 1。下次通电时，由于时延，RS 通电顺序不确定，不确定内部状态，需要再次存储。
门控 D 锁存器：
- 结构：在 R, S 前接两个 NAND，两个输入。
- 使用：Write Enable = 1 时，写入 D，否则保持原值。
寄存器 Register：
- 一个 WE，若干个 D。
时序逻辑电路，就是状态机。
第八章 冯·诺伊曼模型
地址空间即单元数，寻址能力即每单元的信息量。对于 DLX，地址空间为 \(2^{32}\)，寻址能力为一字节，即 8 位。
字长是 ALU 处理的信息量大小，一般为 32 或 64 位。DLX 为 32 位。
DLX 有 32 个通用寄存器和浮点寄存器 R0,R1,...,R31,F0,F1,...,F31，每个均为 32 位。
DLX 有 \(2^{32}\) 个存储单元，每个存储单元包含 \(8\) 位内容。例如：
*(x4000 0000) = x12
*(x4000 0001) = x98
*(x4000 0002) = x00
程序计数器 Program Counter，指向要运行的下一条指令；
指令寄存器 Instruction Register，保存正在处理的指令。
存储器包含存储单元、用于寻址的地址寄存器 MAR、用于存取单元内容的数据寄存器 MDR。先将目标地址存入 MAR，然后即可将值复制到 MDR 或将 MDR 存入。
IO：键盘和显示器。
- 键盘：KBDR 保存输入字符 ASCII 码，KBSR 提供输入字符状态信息；
- 显示器：DDR 保存显示内容 ASCII 码，DSR 提供状态信息。
DLX 指令执行的五个阶段：（每条 DLX 指令包含三到五个阶段）
- 取指令：加载 PC 至 MAR，PC+=4（即下一个指令的地址），读取，将 MDR （即取出的下一条指令）的值存入 IR；
- 译码/取寄存器：IR[31:26] 输入控制器，同时获取指定寄存器的内容，存入 ALU 的 A,B 寄存器。
- 执行/有效地址/完成分支：进行算术/逻辑运算，或计算出给定的存储单元地址，或进行分支跳转。
- 访问内存：以 LW（将内存加载到寄存器）为例：将 ALUOut 存入 MAR 中并读取存储器，将目标值读到 MDR 中。
- 存储结果：从 MDR 或 ALUOut 存入 Rx 寄存器。
时钟周期：先上升至 3.3V，再降至 0V。
第九章 指令集结构 ISA
DLX 采用高位优先 Big-Endian，即一字长的信息中，左侧高位位于内存低地址端，且字的地址必须是 4 的倍数，即边界对齐。
通用寄存器 GPR，R0 的内容必须为 0。
CISC 复杂指令集计算机，如 x86；RISC 精简指令集计算机，如 MIPS, SPARC, PowerPC, DLX。
xU for unused
I-[31 opcode 26][25 SR1 21][20 DR 16][15 Imm16 0] *calculation
I-[31 opcode 26][25 SR1 21][20 xU 16][15 Imm16 0] *BEQZ/BNEZ
R-[31 opcode 26][25 SR1 21][20 SR2 16][15 DR 11][10 xU 6][5 func 0]
J-[31 opcode 26][25 PCoffset26 0] *J,TRAP,others
J-[31 opcode 26][25 SR2 21][20 SR1 16][15 signedoffset 0] *R/W memory
SR 为源操作数所在寄存器，DR 为目标操作数将写入的寄存器。
- 在 I-类型中，第二个操作数为 Imm16 符号扩展后的值。
-
- 对于 I-类的 BEQZ/BNEQ，先计算 PC+Imm16。若 SR1 为/不为 0，则将其存入 PC 中。
- 在 R-类型中，func 为对应 I-类型的 opcode。
- 在 J-类型中，内存地址为 SR2 的值加 signedoffset，要操作的寄存器 SR1。（注意左右）
-
- 对于 J-类的 J，先计算 PC+PCoffset26，然后将其存入 PC 中。
-
- 对于 J-类的 TRAP，PCoffset26 为 TRAP向量。调用 TRAP向量 对应的服务例程后，PC 指向 TRAP 的下一条指令。
- 通常来说，最右侧的寄存器为目标地址。
第十章 机器语言程序设计
然而你发现这玩意简直等价于 if(STATEMENT){goto LABEL;} 组成的 c 程序，所以不再赘述。
第十一章 汇编语言
包含标记 Label、操作码 Opcode、操作数 Operands、注释 Comments 四部分。
;
; 对 10 个整数求和的程序
;
; 10 个整数及累加和
.data x0000600A
.align 2
numbers: .word #10,#3,#4,#6,#8,#-2,#45,#5,#8,#9
sum: .space 4
;
; 初始化
.text x40000000
.global main
main: ADDI R1,R0,numbers
ADDI R3,R0,#0 ; R3 清零，它将包含和
ADDI R2,R0,#10 ; R2 包含整数个数
;
; 循环计算
again: BEQZ R2,exit
LW R4,0(R1) ; address:R1.val+0
ADD R3,R3,R4
ADDI R1,R1,#4 ; R1 跟踪下一个整数地址
SUBI R2,R2,#1
J again
exit: SW sum(R0),R3 ; address:sum+R0.val
TRAP #0
; 程序结束
; ======= 分割线 =======
; 以下是另一些指令的示例
A: LHI R1,A ; R1=high(A)
; if A=x3000 01A0, then R1=x3000 0000
标记：由字母、数字、下划线组成，并以字母、下划线或 $ 开头，以冒号结尾。指令操作码属于保留字，不能用作标记。
立即数：# 为十进制，x 为十六进制，b 为二进制。
伪操作：操作码以 . 开头。数据和指令分别按 .data,.text 的指示存在不同区域：数据区和代码区。
- 数据区：
.address x0000600A ; 数据起始于单元 x0000600A。由对齐原则，不能直接存储字。
.align 2 ; 将下面的内容加载到以 2 个 0 结尾的地址中。
.word #1,#2,#4 ; 连续存储若干个字。
.ascii "string1","str" ; 若干个字符串。
.asciiz "string1","str" ; 若干个空终止字符串：每个串末尾存储一个字节 0。
.space 4 ; 留出 4 个字节。
- 代码区：
.text x40000000 ; 程序起始于单元 x40000000。可以不给出地址，由链接器分配
.align 2 ;
.global label ; 将 label 声明为全局标记，可以跨文件使用
汇编过程：扫描两遍，第一遍构建符号表，第二遍进行替换。如何计算地址？汇编器记录 Location Counter。（注意区分 PC 与 LC，LC 是汇编器的运行时局部变量，PC 对应一个结构）
链接：由多个目标文件生成可执行程序。在这里处理跨模块的标记引用，并重分配内存。即相当于多文件的汇编。
C-DLX 编译：你发现这玩意几乎等价于第十章。不过下面要介绍变量的存储方式：
- 栈：你知道这是什么。这里的实现是维护一个栈顶指针。
- 全局数据区存储静态存储类变量，运行时栈存储局部变量。
- DLX 使用 R28 作为全局指针，即包含全局数据区的起始地址。
- DLX 使用 R29 作为栈指针，R30 作为框架指针/帧指针，帧指针为方便访问局部变量而用的。
- （更详细的介绍参见第十五章）
x0000 0000 | 系统空间
| ---------- |<-- PC
| 代码区
| ---------- |<-- R28
| 全局数据区
| ---------- |
| 堆
| v -------- |
|
| ^ -------- |<-- R29
| |<-- R30
| 运行时栈
| ---------- |
xFFFF FFFF | 系统空间
第十二章 输入和输出
一个 I/O 设备至少包括两个设备寄存器：一个保存数据，一个保存状态信息。
两种机制：
- x86 指令集等：使用专门的 I/O 指令与 I/O 设备寄存器交互
- DLX 等：使用内存映射方式：内存中的某些地址被分配给寄存器，而非存储单元
| 地址 | I/O 寄存器 | 数据 |
|---|---|---|
| xFFFF0000 | 键盘状态寄存器 KBSR | 最低位 |
| xFFFF0004 | 键盘数据寄存器 KBDR | 低八位 |
| xFFFF0008 | 显示器状态寄存器 DSR | 最低位 |
| xFFFF000C | 显示器数据寄存器 DDR | 低八位 |
| xFFFF00F8 | 机器控制寄存器 MCR |
DLX 中，读 KBDR 的一个示例：（注意区分：KBDR标记处存储的是KBDR的地址，它不是KBDR本身）
KBDR: .word xFFFF0004 ; KBDR 的起始地址是 xFFFF0004
; 和下面这句没本质区别
A: .word xFFFF0004 ; KBDR 的起始地址是 xFFFF0004
...
LW R1,KBDR(R0) ; R1 存储 KBDR 的位置
LW R4,0(R1) ; 读到 R4 中
通信的方式：
- 轮询：如果 KBSR 未就绪，就重复读取，直到就绪后再读 KBDR。浪费了大量处理器时间
- 中断驱动：I/O 设备向处理器发来中断信号。
第十三章 自陷例程和中断
DLX 有 256 个服务例程，可以被 TRAP 指令调用。
TRAP 向量表长为 256 * 4，存储了 256 个例程的（代码区）起始地址。可以规定数据区为代码区起始地址前 x100 个单元的位置。
| TRAP 向量 | 符号 | 作用 |
|---|---|---|
| x06 | GETC | 读一个字符，将其 ASCII 码复制到 R4[7:0] |
| x07 | OUT | 输出一个字符 R4[7:0] |
| x08 | PUTS | 输出以 R4 所指地址开头的空终止字符串，每个字符占一个内存单元 |
| x09 | IN | 输出一个提示符，读取一个字符至 R4 并回显 |
| x0A | GETS | R4 存地址，R5 为长度 n，读取至多 n-1 个字符（回车结束）并存入 R4，空终止 |
| x00 | HALT | 停机 |
调用 TRAP 的一个过程：
- 将 26 位 TRAP 向量扩展至 32 位，并左移两位得到向量表的地址，存入 MAR（例如 x09 变为 x00000024 ）
- 将向量表内的地址加载进 MDR （例如 x00000024 的内容为 x00003100，它是 IN 子例程的起始地址）
- R31 保存 PC 的当前内容（即用户程序的下一条指令）
- 将 MDR 加载进 PC（即例程的起始地址）
- 执行子例程
- 将 R31 加载进 PC。可以使用
JR R31或其助记符RET。
但是这里有一个问题：TRAP 指令及服务例程会破坏当前的寄存器状态。
caller-save：调用者保存；callee-save：被调用者保存；知道哪些寄存器将被使用的程序应该来处理这个问题。
具体的做法：手动 SW/LW。
中断的产生：
KBSR、DSR 的就绪位（[0] 位）为 1 时，表示设备需要服务；中断允许位（[1] 位，IE）为 1 时，表示是否有权利请求服务；中断请求信号 IRQ 为其逻辑与。
状态寄存器 SR 是一个特殊寄存器，只能在特权模式下访问。
所有 IE 位可以被 SR[0] 同时改写，即允许/禁止全部中断。SR[1] 表示当前程序的模式：特权模式为 0，用户模式为 1。
中断信号 INT 为所有设备 IRQ 的逻辑或。同时，有一个原因寄存器 CAUSE 保存中断信号的来源：CAUSE[15:10] 表示来自六个硬件的未决中断，[10] 为显示器，[11] 为键盘；CAUSE[9:8] 表示来自两个软件的未决中断。从左到右优先级依次降低。
中断发生时，用 SR[2:3] 保存原来 SR[0:1] 的值，用 EPC 保存 PC 的值。
中断的处理：
SR[15:8] 给出中断阻塞方案，设为 1 表示允许当前位的中断。存在多个中断时，从左到右处理。
两个整数寄存器和特殊寄存器间数据传送的指令：MOVI2S、MOVS2I，每个特殊寄存器用 5 位编码。（指令附在本段末尾）
| 名称 | 编号 D | 编号 H |
|---|---|---|
| SR | 12 | x0C |
| CAUSE | 13 | x0D |
| EPC | 14 | x0E |
从中断返回时，清空 CAUSE，然后使用 RFE 指令恢复 PC、SR[1:0] 的值。
RFE | 110001 00000 00000 00000 0000000000
MOVI2S | 100010 00000 ..... ..... 0000000000
MOVS2I | 100011 00000 ..... ..... 0000000000
GPR special
第十四章 子例程
调用/返回时的具体操作类似 TRAP：调用时将 PC 设为子例程起始位置，R31 设为下一条指令。返回时调用 JR R31。
调用子例程的操作码：
PCOffset26
JAL | 101110 00000000000000000000000000
JALR | 101111 00000 000000000000000000000
Rx unused
JAL 等价于 J 指令加上保存 R31，会跳转到下一条指令 + [PCOffset26 的符号扩展] 的位置；JALR 会跳转到给出寄存器里的地址的位置。
调用库例程的时候，需要在代码区写一个 .extern SQRT 表示程序中会调用库例程中的 .global SQRT。
第十五章 函数
简要介绍一下 C 函数在底层的实现。
可以将 R4-R7 用于参数传递，R2-R3 用于返回值，R31 用于返回地址，R16-R23 用于局部变量，R8-R15、R24、R25 用于存储临时产生的值。因此，参数个数多于四个时，需要使用存储器。
对于每次函数调用，R30 始终指向活动记录的基址（即一段的底部），R29 指向栈顶。
函数调用机制：
- 调用函数：将变元复制到被调用函数可访问的存储区域内（即将超出4个的参数压入栈顶）
压栈：
SUBI R29,R29,#4; SW 0(R29),value即栈顶指针减四，然后在所指内存存储数据。
压栈结束后JAL subprocess。
- 被调用函数：在栈上保存（即备份）部分寄存器的值，同时分配局部变量
在栈上备份 R31（如果需要）和 R30，然后将 R30 指向参数之上（即 R30+#4 即为保存的最靠上的参数）。
然后备份寄存器，分配局部变量，最后调整 R29 使得其指向栈顶（即最靠上的元素）。
- 被调用函数：运行
- 被调用函数：运行完成，弹出活动记录，控制返回到调用函数中
弹出参数（如果又调用了其他函数），弹出局部变量，恢复寄存器，恢复动态链接 R30，恢复返回地址 R31，调用
RET返回控制权。
- 调用函数：取返回值 R2
第十六章 指针和数组
数组在栈上空间的分配还是顺序的。
