计算机组成原理 笔记 1

计算机组成原理 指令与数据

计算机指令系统

指令是计算机运行的最小的功能单元，计算机的指令系统是该计算机提供的全部指令

指令的功能与分类

• 算数与逻辑运算指令
  • 加、减、乘、除等
  • 与、或、非、异或等
• 移位操作指令
  • 算数右移（补符号位）、逻辑右移、逻辑左移、循环左移
• 数据传送指令
  • 寄存器之间
  • 寄存器与内存间
  • 不同内存之间
• 输入输出
  • 计算器与外设之间
• 跳转指令
  • 无条件与条件
• 调用与返回指令
• 堆栈操作指令
• 其它

指令表示

指令 = 操作码 + 操作数或操作数地址（寄存器、内存或外设）

即对哪些数据做什么操作

操作码可以是定长或变长，定长操作码的译码速度更快，变长操作码可以表示的指令更多
指令是定长的，和机器有关

操作码的扩展

显然，操作码的个数会限制指令系统的长度，因此可以对操作码进行扩展，从而支持更多样化的指令

扩展的方式为：充分利用空闲的位置，例如32位机器上，如果有2个8位地址段作为操作数，则有至多16位可以用于表示操作码，而如果只有1个8为地址段作为操作数，则有至多24位可以用于表示操作码

寻址方式

由于操作数可能需要在某一个地址中进行读取，因此需要指定指令系统的寻址方式：

• 立即数寻址：操作数直接给出，无需寻址
• 直接寻址：给出内存中的地址
• 寄存器寻址：给出操作数所存放在的寄存器编号，则addr = (base)
• 变址寻址：给出寄存器编号和立即数，则addr = (base) + offset
• 相对寻址：给出地址相对程序计数器PC的偏移
• 间接寻址：通过上述的某种方式，给出指向操作数的指针的地址
• 基址寻址：在计算机中设置一个寄存器用于存放固定的基址，指令中给出偏移量
• 堆栈寻址：利用sp进行寻址（变址寻址的一种）

Riscv 指令

Riscv为定长操作码，如下图，从上到下依次为：寄存器型、立即数型、存储型、分支指令、跳转指令、大立即数

RISCV指令格式

由于指令长度为32位，因此U型指令是操作一些长立即数，例如向x1中写入0x12345678等

寄存器

RISCV中的寄存器

算数、位运算、移位指令

用后缀指明操作数的类型，无u代表有符号数，有u代表无符号数，i代表第二个操作数是立即数没有`subi`

• op dst, src1, src2: R型
• opi dst, src, imm: I型
• opu dst, src1, src2: R型

操作有：

• add sub mul div rem neg
• and or xor not
• sll srl sra
• lui reg, imm: U型，加载立即数到指定寄存器的高20位

其中，mul的结果是64位，但是dst指向的是32位，因此乘法指令有如下变体：

• mul rdl, rs1, rs2 <==> rdl = (rs1 * rs2)[31:0]
• mulh rdh, rs1, rs2 <==> rdh = (rs1 * rs2)[63:32]
• mulhu rdh, rs1, rs2 <==> rdh = (unsigned(rs1) * (unsigned)rs2)[63:32]
• mulhsu rdh, rs1, rs2 <==> rdh = (rs1 * (unsigned)rs2)[63:32]

访存指令

Riscv中有专属的Load/Store指令用于操作内存，其他指令只能操作寄存器，采用变址寻址的方式

l/s reg, offset(base): Load为I型，Store为S型

允许以字节为基本单位进行读写：

• 一字节：lb, sb
• 双字节：lh, sh
• 四字节：lw, sw

注：

1. Riscv是小端
2. lb lh会做符号扩展，而lbu lhu会做0扩展

分支与跳转

比较指令有：

• slt rd, rs1, rs2: rd = 1 if rs1 < rs2 else 0: R型
• sgt rd, rs1, rs2: rd = 1 if rs1 > rs2 else 0: R型

同理还有snez, seqz与0进行比较

分支跳转指令有：

• beq rs1, rs2, label: goto label if rs1 == rs2: B型
• bne rs1, rs2, label: goto label if rs1 != rs2: B型

同理也有blt bgt等

无条件跳转指令有

• jal rd, label: goto label and rd = pc + 4: J型
• jalr rd, base, offset: goto [(base) + offset] and rd = pc + 4: J型

伪指令

一些更加直观的指令，会被翻译成上述指令

• mv dst, src = addi dst, src, 0
• li dst, imm
• la dst, label
• ret = jalr x0, x1, 0

函数调用

参数：x10 - x17(a0 - a7)为前8个参数，后面的参数倒序入栈，x1(ra)为返回值

注意需要维护好栈帧指针，并且调用者和被调用者需要维护好对应寄存器

数据表示与纠错

逻辑数据

• True: 1
• False: 0

字符数据

ASCII编码

占用1字节，表示128个西文字符

ASCII字符集

UNICODE字符集

为每种语言的每个字符设定了统一且唯一的二进制编码，兼容ASCII

UTF-8编码

UTF-8编码

• 变长字符编码，长度由首字节确定
• 字符除首字节外均以10开头

字符显示

• 点阵字体：将字符展示在GUI界面中的方式，点阵字体是其中最简单的一种，即利用黑白位图来表示
• 矢量字体：用多条曲线来表示字符，每条曲线存储一部分关键点，显示的时候平滑连接关键点并填充

数值数据

整数

第一位为符号位，后续为数值位

• 正数的原=补=反
• 0有两个原码与反码($\pm 0$)，仅有1个补码
• 负数：反码为数值位取反，补码为反码+1

浮点数

浮点数组成为[s, exp, frac]，分别为符号位、阶码（表示方式为移码）与尾码（表示方式为原码）

• bias = 2^(len(exp) - 1) - 1
• exp != 0, exp != 11..11时为规格化数，此时：
  • E = exp - bias
  • M = 1.frac
  • num = (s ? -1 : 1) * M * 2^E
• exp == 0时为非规格化数，此时：
  • E = 1 - bias
  • M = 0.frac
  • num = (s ? -1 : 1) * M * 2^E
• exp == 11..11, frac == 0时为inf
• 其他情况为NaN

浮点数加减：

• 操作阶码，阶码较小的右移，阶码大的为结果的阶码
• 尾数加减
• 规格化处理
• 舍入操作
• 检查阶码是否溢出

浮点数乘除：

• 阶码直接加减
• 尾数乘除法
• 规格化处理
• 舍入操作
• 检查阶码溢出

检错纠错码

码距指任意两个合法编码之间不同的二进制位数目的最小值，当码距为1的时候无检错能力

常见的检错纠错码有：奇偶校验码、海明校验码与循环冗余校验码

奇偶校验码

在k位数据码之外增加1位校验位，使得其中取值为1的位数总保持为奇数或偶数，码距为2

如偶校验：1101 -> 11101，奇校验1101 -> 01101

电路上来看是取异或即可

海明校验码

并行数据，为k位数据设定r位校验码，使其能够：

• 能够发现并改正k+r中任意一位出错
• 能够发现k+r中任意两位同时出错
  码距为4

则k与r之间应该满足的关系是：

• $2^{r} \geq k + r + 1$：此时即为用$2^{r}$个编码分别表示出错的位数或都不出错
• $2^{r - 1} \geq k + r$：用$r - 1$为校验码为出错位编码，单独设置一位用于区分是1位还是2位出错（总校验位）

编码方案：

1. 将校验位依次安排在2的幂次位，将数据位依次排布在剩下的位置
2. 将数据位的编号拆分成2的幂的和，则所出现的幂对应位置上校验位负责对该数据位进行校验
3. 校验位的值即为其所校验的数据的异或
4. 总校验位的值为所有数据的异或

译码方案：对收到的数据的数据位再次编码并比较