计算机系统基础 总复习

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计算机系统基础 总复习 🔗

  1. 计算机系统概述
  2. 数据的机器级表示和处理
  3. 程序的转换和机器级表示
  4. 程序的链接
  5. 程序的执行
  6. I/O操作的实现
  7. 异常和中断*

总复习 🔗

第一章 🔗

  1. Turbo Debug 的例子
  2. 三个段：DS、SS、CS
  3. 通用寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、ESP、EBP
  4. 指令指针寄存器：EIP

第三章 🔗

  1. 操作数：常数、寄存器、内存
  2. 寻址方式：常数、寄存器、直接、间接、变址、基址加变址
  3. ESP、EBP用途
  4. 内存示意图：画格子，写编号，填内容，标变量。常量不要填，低位放低端，高位放高端
  5. 读图：先定位，再取n个字节
  6. 指令分类：传送、运算、位操作、跳转
  7. 两个操作数不能同时为内存
  8. 指令标后缀，或操作数中有类型明确的，或两个操作数类型一致
  9. push和pop：push先减再传送，pop先传送再加。
  10. 赋值操作：长度一样直接传送，长度减少截断，长度增加看源变量类型选择零扩展或符号扩展
  11. 乘法 AL * OP -> AX 或 AX * OP -> DX-AX
  12. 移位指令：全部送入CF。SHL/SHR 逻辑移位；SAL/SAR 算数移位（SAL特色溢出，SAR特色补符号）；ROL/ROR 循环移位；RCL/RCR 带CF循环移位
  13. 分支和循环：CF、ZF、SF、OF各有两种（jz有别名je）。ja/jb 无符号整数高于/低于；jg/jl 带符号整数大于/小于：每组加前缀后缀形成八个助记符，四条指令。
  14. loop指令：若CX为0，跳出循环。若CX不为0，CX–并跳转到label。
  15. 子程序调用：CALL/LEAVE/RET
  16. proc和endp伪指令：定义过程
  17. 堆栈法传递参数
  18. 保护现场和恢复现场
  19. 堆栈内分配局部变量

优化 🔗

编译优化的策略有哪些？请说明各种优化策略能提高程序运行速度的原理。（至少5种不同策略）

要点：

  1. 不仅要说策略是什么，而且要说出背后的原理；
  2. 出题的本意是想问问，利用哪些硬件特性来提速，即优化后能更好地发挥硬件的作用，加快运行速度。计算机系统是计算机软件和硬件组成的整体。单纯地从软件层面介绍优化（如去掉没有用的废代码减少了执行指令的数目；算出可以计算的表达式的值而不产生相应的机器指令等等），这就与硬件特性无关了。

参考答案：

  1. 循环展开：将程序执行流程变成一个顺序结构。消除引起循环的跳转指令，使指令流水线利用更充分，避免在指令流水线上产生要被丢弃的“半成品”而浪费时间。
  2. 有分支语句向无分支语句转换：使用条件传送 cmov* 等指令，可以提高指令流水线的利用率，原因同(1) [可参见 “L03_Intel 中央处理器.pdf : 流水线的控制分支冒险”]。
  3. 调整指令执行顺序：后面的指令用到前面指令的结果，前面的指令结果还未产生，后面的指令就要等待，产生阻塞就会影响指令流水线的速度。调整指令顺序的目的是减少可能的阻塞 [可参见 “L03_Intel 中央处理器.pdf : 流水线的数据冒险”]。
  4. 使用执行速度更快的机器指令：例如，将一个变量中的内容乘 2，可以用变量自己与自己相加，也可以用左移运算。不同指令的执行速度不同，使用速度更快的指令代替完成相同功能的慢速指令，会提高速度。注意：此处指的是一条指令被另一条指令所代替；还不是用多条机器指令来代替一条慢速指令的意思，这种一对多的优化，有一点算法优化的味道。
  5. 使用串操作指令代替用循环一个数据一个数据的处理（传送、比较、串置初值等等）：串操作指令产生的根源就是加快速度。
  6. 使用SIMD：一条指令成组操作，节约了操作次数。
  7. 使用位数更长的寄存器：使用字节数更大的寄存器，一次就可以处理更多的内容，充分利用硬件中已有数据线宽度；
  8. 对一个二维数组调整数据处理顺序（如按列序操作调整为按行序操作）：提高CPU 中cache 的命中率，减少cache与内存之间来回的数据交换，从而节约时间。
  9. 变量与寄存器绑定：访问变量变成访问绑定的对应寄存器，访问寄存器的速度要快于访问内存（包括cache）的速度，（无需地址计算，虚地址向物理地址转换等等操作，因而要快）。
  10. 并行优化：利用多线程、多核等特性。

为了提高程序的执行速度，在编写C语言程序时，可进行哪些优化（不考虑编译器的优化）？ （至少给出 5种优化场景，可举例说明）

要点：

  1. 不考虑编译器的优化，意思在编译器优化开关关闭时，生成的执行程序运行速度要快。
  2. 优化算法是会提高速度，但我们这门课主要是介绍基本的C语句的执行过程，算法方面不应考虑；此处的优化是指写程序时应该注意的问题。
  3. 是使用 C 写程序，而不是使用机器指令编写程序，像一条C语句对应的一段机器指令中可能产生的优化不在考虑之列。

参考答案：

  1. 优化数据的访问顺序，如在for循环里对于二维数组，按照先行序，再列序访问每个元素。
  2. 减少重复计算，比如for(int i=0;i<strlen(a);i++)中strlen(a)多次计算。
  3. 调用封装了串操作指令的函数，如memcpy，memset、memcmp等。
  4. 变递归程序为迭代程序，函数调用传递参数，断点压栈等多种操作，既慢又有栈溢出的风险。
  5. 用移位实现乘除法运算，比如x*2变为x«1。
  6. 调整条件语句中组合条件的子条件顺序。例如 if （A && B），假设 90%的情况下A 会成立，10%的情况下 B成立，就应该写成 if (B && A) , 在 90%的情况下，减少了对条件 A 的判断。
  7. 封装了SIMD 指令的函数调用
  8. 多线程的利用
  9. 当然，写程序时，可以做一些编译器可以优化的工作，如去掉废代码；
  10. 有一些优化是编译器无法无做到的（也可以说是目前的编译器还没有特别聪明），比如，与指针相关的数据访问。

第四章 🔗

  1. 外部符号：在模块外定义
  2. 全局符号：在模块内定义，分为强弱符号
  3. 本地符号：所有static定义的变量
  4. 局部变量不在符号表中

节： 🔗

  • .text目标代码部分。
  • .rodata 只读数据，如格式串、switch-case的跳转表等。
  • .data 已初始化的全局变量
  • .bss 未初始化的全局变量，在目标文件中不占空间
  • .symtab 符号表。
  • .rel.text .text节相关的可重定位信息
  • .rel.data .data节相关的可重定位信息
  • .debug/.line 调试信息。
  • .strtab 字符串表，包含.symtab、.debug中的符号以及节名。以null结尾的字符串序列
  1. 符号解析
  2. 重定位：R_386_PC32与R_386_32

第五章 🔗

流水线

第六章 🔗

高速缓存

第七章 🔗

IN、OUT指令

功能：从外设寄存器取信息送入AX或AL。 形式： IN  $PORT, %AL, 功能：（PORT）→AL

功能：将AX或AL内容送到外设寄存器中。 形式：OUT %AL, $PORT 功能：（AL）→PORT

注：立即数方式端口地址为8位，端口地址＞255，就放到DX中

IO方式

  1. 无条件传送方式，要求外设与CPU同步
  2. 查询传送方式，循环查询外设状态（准备好？忙？），条件满足就传送
  3. 中断传送方式，外设准备好就向CPU发出中断申请，提高CPU效率，可以处理突发事件，提高了计算机工作的灵活性。
  4. 直接存贮器（DMA）传送方式，高速外存与主存通过总线之间传送

第八章 🔗

  1. 中断的处理过程：中断请求、中断响应、中断处理、中断返回
  2. 中断系统：实现中断的软硬件设施，包括8259A、中断源、中断请求（硬件）、中断向量表、中断处理程序（软件）
  3. 中断源：引起中断的原因，发出中断请求信号
  4. 中断请求：请求CPU响应的信号
  5. 中断响应：硬件对中断请求作出响应的过程
  6. 异常或中断处理程序：处理事件的子程序
  7. 异常：由CPU内部产生的“内部错误”，分为故障（如除零、溢出、缺页），陷阱（INT指令），中止（严重错误），一般中断类型号在指令中，不受IF的影响
  8. 中断：由外部设备产生的“外部事件”，包括可屏蔽中断（受IF影响）、不可屏蔽中断
  9. 实模式下，中断向量表，中断号 * 4，中断向量的物理地址
  10. 保护模式下，中断描述符表，中断号 * 8

INT指令

  1. 压栈FLAGS、复位IF、复位TF
  2. 压栈CS、高16位->CS
  3. 压栈IP、低16位->IP

IRET指令

  1. 出栈到IP
  2. 出栈到CS
  3. 出栈到FLAGS

中断处理

  1. 在中断处理子程序中，保护现场（PUSHA等），恢复现场（POPA等）
  2. 设置中断向量前CLI，后STI
  3. 中断返回用IRET，否则…