第一章概要

概念

• 性能衡量
• 响应时间：计算机完成某任务的时间
• 吞吐率：单位时间内完成的任务数
• 性能： 1 / 执行时间

计算

• CPU时间
=CPU时钟周期数×时钟周期时间
=CPU时钟周期数/时钟频率
=指令数 × CPI × 时钟周期时间

• 加权平均CPI——综合效率指标

• 功耗

第二章MIPS汇编

四大基本原则（面向流水线的ISA设计）

• 简单源于规整
• 算术运算总是有三个操作数

• 越小越快
• MIPS只有32个寄存器

• 加速经常性事件
• 立即数操作

• 优秀的设计需要折中
• 为了保持指令长度一致（32位），MIPS采用了多种指令格式

寄存器约定

汇编指令

算术运算

• 加减

• 逻辑运算
• and：按位与，将数据的某些位保留下来
• or：按位或，将某些位强行变1
• xor：按位异或
• 与1异或：取反
• 与自己异或：为0，可判断两数是否相等，也可以快速清零
• nor：按位或非，先or再取反
• 实现单独的取反功能
nor $t0, $t1, $zero

内存操作

• 读写
• lw/lb
• $rt = $rs 里的值 + offset（偏移量）
• sw/sb
• 把 $rt 的值存到地址 $rs + offset 的地方

• 寻址
• 字节寻址：连续读数，地址+4字节
• 内存对齐：w必须是4的倍数，h必须是2的倍数
• 大端：高位字节低地址，从左往右写（MIPS默认）
• 小端：低位字节低地址，从右往左写，倒着来

跳转指令

• beq：$rs，$rt相等跳转

• bne：不相等跳转

• j：无条件跳转
• target为26位，可在256MB范围内跳转

• jal：函数调用专用跳转
• 将下一条指令的地址（pc+4）塞进$ra中，方便跳回来

• jr：R型指令，调到$rs里面存的地址中

32bit立即数

• 两步走
• 加载高16位：先用 lui (Load Upper Immediate) 指令，把立即数的高 16 位塞进目标寄存器，这时候低 16 位会自动补零。
• 合并低16位：然后再用 ori (Or Immediate) 指令，把剩下的低 16 位常数“或”进去，这才凑成一个完整的 32 位立即数。

伪指令

• 伪指令就是汇编指令的变种。除了这些玩意儿，大部分汇编指令跟机器指令都是一对一的

指令后缀

指令分类

• R型是干苦力的，算数的。



• op (6 bits)：操作码。在 R-型指令里，这 6 位全是他妈的 0！
• rs (5 bits)：第一个源寄存器。
• rt (5 bits)：第二个源寄存器。
• rd (5 bits)：Destination (目的地)！也就是算完的结果往哪儿塞。
• shamt (5 bits)：全称是 Shift Amount（移位量）。
• 只有在做 sll（左移）或者 srl（右移）的时候才用。
• 普通的加减法，这里就是纯种的 0，没它什么屁事儿。
• funct (6 bits)：功能码。这才是决定“干什么活”的关键！
• 同样是 op=0，如果这里是 32 (二进制 100000)，那就是 add。
• 如果是别的数，可能就是减法、乘法或者逻辑运算。

• I型是灵活的，搞立即数、读写内存、条件判断。
• 将R-型指令中的rd、shamt、funct字段合并为constant or address字段



• op (6位)：这次绝对不是 0 了！每一个 I-型指令都有自己唯一的编号（比如 addi 是 8，lw 是 35）。CPU 一看前 6 位，就知道这活儿是加法、读内存还是跳槽。
• rs (5位)：还是老样子，源寄存器。
• rt (5位)：这是最他妈坑爹的地方！
• 在 addi 或者 lw（读内存）里，它是目的地（结果存这儿）。
• 在 beq（相等跳转）或者 sw（存内存）里，它是第二个源。
• 这 rt 就是个“两面派”，一会儿当爹一会儿当儿子，你得看前面的 op 才知道它是个什么货色。
• immediate (16位)：这就是传说中的立即数！
• 它占据了指令整整一半的长度（16 位）。
• 它可以存一个常数，或者一个内存地址的偏移量。
• 范围：因为它带符号，所以能存 32768 到 32767 之间的数。你要是想存个 100 万？去你妈的，存不下！

• J型是到处飞的。

寻址

第三章运算

整数

加

• 溢出
• 正正相加，符号位1溢出
• 负负相加，符号位0溢出
• 正负相加，不溢出

• 全加器



• 输入：A（加数1）、B（加数2）、Cin（上一位传过来的进位）。
• 输出：S（这一位的和）、Co（给下一位的进位）。

减

• 溢出
• 正 + 正 = 负？（炸了）
• 负 + 负 = 正？（炸了）
• 正 - 负（即正+正）= 负？（炸了）
• 负 - 正（即负+负）= 正？（炸了）
• MIPS中，指令 add 检测溢出，addu 忽略溢出

乘

• 开局状态：
• 左边 32 位：全是 0（准备用来存加法的结果）。
• 右边 32 位：塞进去的是 Multiplier (乘数)。

• 运算过程：
1. 看最右边那一位（乘数的最低位）。
2. 如果是 1，就把 32 位被乘数 加到 64 位寄存器的左半边。
3. 如果是 0，屁也不加。
4. 关键动作来了：整个 64 位寄存器一起向右移一位！
• 逻辑：效果是一样的！你把数往左挪，和你把底下的纸往右抽，相对位移他妈的一模一样。
• 骚点：随着计算的进行，右边的乘数被一位位挤出去了（因为不需要了），而左边算出来的乘积正好一位位占领了右边的坑位。
• 最后结果：等 32 次循环跑完，原来的乘数被彻底“扫地出门”，整个 64 位寄存器里装的全是算好的乘积。

除

• 余数的符号必须跟被除数（Dividend）保持一致！
• 7÷(−2)=−3……1 （被除数 7 是正，余数 1 就是正）
• (−7)÷2=−3……(−1)（被除数 -7 是负，余数 -1 必须是负）
• (−7)÷(−2)=3……(−1)（被除数 -7 是负，余数还是 -1）

浮点数

加减法

1. 对阶
• 小阶向大阶看齐，向右移位直到指数相同
• 丢精度

2. 尾数加减

3. 规格化为IEEE格式

4. 舍入
• 四舍五入，是5就保偶数

乘法

1. 指数相加

2. 尾数相乘
• 硬乘

3. 规格化

4. 舍入

5. 确定符号

例子

第四章处理器

• 7/11/32/54/133

• 不含流水线的处理器

• ALU

• 流水线性能计算

• 流水线冒险

• 分支冒险气泡插入

• 多发射

• 延迟槽，分支预测，分支检测前移

重点的图

 

 

 

 

指令的执行

• 取指令
• PC从存储单元取指
• 根据寄存器编号从寄存器中读取内容

• 后续操作与指令类型相关
• 除跳转指令，其他都要经过ALU
• 计算
• 方寸地址
• 分支条件
• 存储访问指令读写内存
• 将ALU运算结果写入寄存器

• PC跳到下一条指令

流水图

1. 寄存器写入口的 MUX (RegDest)：
• 决定是把结果写进 rt 寄存器还是 rd 寄存器。

2. ALU 输入端的 MUX (ALUSrc)：
• 0 代表选寄存器里的值，1 代表选指令里的“立即数”（就是那根从 Instruction 连出来的线）。

3. Data Memory 后面的 MUX (MemtoReg)：
• 0 代表把 ALU 算出来的结果写回寄存器，1 代表把从内存捞出来的宝贝写回寄存器。

4. PC 顶上的那个 MUX (PCSrc)：
• 最牛逼的一个：它由 Branch 信号 和 ALU 的 Zero 信号 共同控制（看到那个 AND 门 没？）。
• 只有当这是一条分支指令（Branch=1）且两个数相等（Zero=1）时，才让 PC 跳到新的地址。

数据通路

1. 算术逻辑单元 (ALU)：这就是工厂里的核心加工机。不管是加减乘除还是比大小，东西扔进去，出来就是结果。这是干活最猛的地方。

2. 寄存器堆 (Register File)：这是工人的随身工具包。常用的数据得放在这儿，伸手就能拿，速度贼快。

3. 存储器 (Memory)：这是大仓库。指令仓库（Instruction Memory）放的是“施工图纸”，数据仓库（Data Memory）放的是“原材料”和“成品”。

4. 程序计数器 (PC)：这是那个看大门的。他手里拿着个名单，决定下一秒该去哪儿掏指令。

5. 多路复选器 (MUX)：这是路口的红绿灯和分叉路。不同指令的数据来源不同时，需用复选器。

6. 各种连接线 (Buses/Wires)：这就是传送带。数据（电信号）顺着这些线从寄存器跑到 ALU，再从 ALU 跑到仓库。

• 读写使能类 (RegWrite, MemRead, MemWrite)：决定谁能动，谁不能动。

• 路径选择类 (RegDst, ALUSrc, MemtoReg, Branch)：决定数据走哪条路。

单周期数据通路

控制单元

• ALU的控制信号

流水线

五级流水线

1. IF：从内存取指

2. ID：译码，读寄存器

3. EX：执行运算

4. MEM：访存

5. WB：回写到寄存器

流水线加速比

• 各级不等长

• 存在数据冒险

冒险

1. 结构冒险：两个工人都想抢同一个扳手，打起来了，流水线得停。
• 解决：把内存拆成“指令内存”和“数据内存”

2. 数据冒险：后面的人要等前面的人算出结果才能动，停顿 (Stall) 了。
• 解决：
• 塞气泡
• 旁路/前推



避免访存，提高效率。
但是取数-使用型冒险不能用前推解决：



前推只能推一步，如果涉及到访存，只能通过塞气泡或者指令调度（将无关紧要的指令插进来执行）来解决。

3. 控制冒险：需根据前面某条指令的结果才能确定分支的执行。
• 解决：
• ID（译码）阶段加入硬件比较寄存器和计算分支地址，在这一步就决定要不要跳转。
• 分支预测：默认不跳转，直接取紧跟着的指令
• 向后的分支：猜发生，直接跳
• 向前的分支：猜不发生，直接执行下一条

流水线数据通路

流水线寄存器

• 作用：数据隔断，按照时钟周期执行，确保数据同步

• PC 寄存器：这是“发令枪”。每一秒钟它都指着下一条该死指令的地址。

• IF/ID：存的是刚取出来的指令码和 PC+4 的地址。

• ID/EX：这里面存的东西最杂！有从寄存器里掏出来的操作数，有符号扩展后的立即数，还有主控单元发出的控制信号。

• EX/MEM：存的是 ALU 算出来的结果，以及要存入内存的数（如果是 sw 指令的话）。

• MEM/WB：存的是从内存里捞出来的数，或者 ALU 的结果，等着最后写回寄存器。

带阻塞的流水线

带冒险检测的流水线

• 主要目的：分支预测，尽量早跳转减少空转

• 核心区别：
• ID阶段直接比较寄存器中的两值是否相等，如果相等，Control直接发送IF.Flush信号，将下一条的控制指令清零，杀掉这条操作。
• 在ID阶段同时预先算好跳转地址，如果满足跳转条件直接有地址可以跳转。
• PC的值需要先经过一个Mux，决定下面的指令是否跳转。

异常与中断

来源

• 异常：源于CPU内部事件
• 无效指令，溢出，系统调用指令

• 中断：源于外部IO控制器

处理

• MIPS的异常通常由协处理器CP0处理
1. 保存报错指令地址PC，存进寄存器EPC (Exception Program Counter)
2. 记录引发异常的原因到状态寄存器Cause
3. 强制跳到异常处理入口0x 8000 0180

• 指令撤销
• IF-Flush 与分支预测的一样。把刚取出来的指令变成 0。
• ID-Flush 如果 EX 级的指令出事了，处于 ID 级的指令也变0。
• EX-Flush 同理，如果是在更后面出事，EX 级的指令也变0。
• 假设不在 MEM/WB 发生异常。其实生活里很常见，如页表失效。

第五章缓存

Cache

直接映射

• 每个存储器地址对应一个唯一的Cache地址

• MIPS按字对齐，只查找4的倍数，Byte Offset没用，用来找字里面的字节

• [11,2]用来计算index（）

• 只有index和tag都对上且valid=1才算命中

FastMATH

• 将横轴拉长

Cache的性能

相联

• 全相联
• 一个块可被放在任何地方
• 需要查找Cache的所有项
• 每个项都要一个比较器

• 多路组相联
• 每个组包含n块
• 块可以被放在组内的任何一块
• 只需要n个比较器

• 增加相联度，可降低缺失率，但收益递减

• 优先存没有信息的块

• LRU算法，选择最长时间没使用的替换掉
• 电路复杂，超过四路难以实现
• 目前主流是近似LRU

多级Cache

• 强制缺失：第一次访问

• 容量缺失：Cache太小不足以容纳所有块引起的缺失
• 例：一个被替换的块又被访问

• 冲突缺失：映射规则约束太死，导致数据发生资源争夺
• 全相联不会有这个问题

• L1-Cache：直连CPU，容量小速度快
• 追求最小化命中时间

• L2-Cache：处理L1的miss，容量比L1大但速度慢
• 追求低缺失率，避免访问主存

• L2的miss交给主存

虚拟存储器

• 地址映射：将虚页号映射到物理页号

• 若缺页，需从硬盘取回，消耗数百万时钟周期

• 降低缺页率：
• 虚页使用全相联：绝对不能miss
• 替换算法智能化，最大程度减少miss发生

页表（PTE）

• 高 20 位 是 Virtual Page Number (VPN)。

• 低 12 位 是 Page Offset。这代表一页的大小是 =4KB。

• 1：在内存，直接访问

• 0：在硬盘，需要访问硬盘

• 虚拟内存好处：碎片化管理。

• 在LRU算法（近似）中，PTE的引用位被周期性清零。只有在某页被访问时，引用位才置1。

• 每个页表只有一个1bit的引用位。

• 从磁盘向内存写入数据通常成块写入，不单独写地址
• 采取回写（Write-back）策略，更新的值等在页表中被替换了才写回硬盘。

快表（TLB）

• 页表的缺陷：地址映射需要额外一次访存

• 解决：现代CPU 在自己身体里（MMU 内部）搞了一个极小、极快的缓存，专门用来存最近用过的页表项，这就是TLB。

• 就是页表的缓存，快表miss了就去读页表

• Valid (有效位)：这行映射是不是真的。

• Dirty (脏位)：这页数据被没被改过（回写磁盘时用）。

• Ref (引用位)：用来决定谁该滚出内存。

• Tag：用来匹配虚拟页号的标识。

1. 第一步：看 TLB。中了？直接拿物理地址去 Cache 找数据。

2. 第二步：TLB 没中，看页表 (Page Table)。
• 页表里有？（Valid=1），赶紧把这一项同步到 TLB 里，然后去内存拿货。
• 页表里也没有？（Valid=0），缺页中断！ 唤醒操作系统，从硬盘里搬进内存，改页表（如果dirty位为1,则先写回），重新执行指令。