处理器

处理器架构

• 普林斯顿架构：存储器同时存储指令和其他数据
• 哈佛架构：数据存储和指令存储分开

处理器性能

执行时间 = 指令数 x CPI x 时钟周期

或： $$ CPI = CPI_1\times p_1+…+CPI_n\times p_n $$ 性能提升方法：

• 优化编译技术（减少指令数）
• 快速电路技术或更为先进的电路结构（减少时钟周期）

寄存器 VS 存储器

• 寄存器：以编号进行访问，可同时访问不同寄存器。
• 存储器：以地址进行访问，不可同时访问不同地址，相邻数据的地址相差4字节。

数据单位约定

在32位MIPS中，1 word = 4 bytes = 32 bits，相邻数据的地址相差4字节。

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#include<stdio.h>
int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(int)); // 4
    printf("%d\n",sizeof(char)); // 1
    printf("%d\n",sizeof(unsigned int)); // 4
    printf("%d\n",sizeof(long int)); // 8
    printf("%d\n",sizeof(long long int)); // 8
    printf("%d\n",sizeof(float)); // 4
    printf("%d\n",sizeof(double)); // 8
}

MIPS汇编指令

汇编优化相关问题

1. 算数&逻辑指令11bit冗余能否利用起来？

   额外11bit用于移位量&功能码。好处：寄存器算术操作只占用一种操作码，指令集可以使用其他操作码支持更多种指令。

2. 分支可能的地址范围有32位，如何用16bit表示？

   采用基址+偏移地址的寻址方式。

   addr « 2：将直接地址转换为字节地址。

3. 带立即数的分支指令立即数如何编码？

   MIPS没有带立即数的分支指令，使用比较指令(slti、sltiu等）+ 分支指令组合实现。

4. 访存可能的地址有32位，如何用21bit表示？

   采用基址+偏移地址的寻址方式进行访存（5 bit：寄存器 16 bit：立即数）。

5. 跳转可能的地址有32位，如何用26bit表示？

   j小范围，jr大范围。

寻址方式

1. 寄存器寻址：找到对应的寄存器，从寄存器中取数/写数。如：R type(add)。
2. 立即数寻址：指令中的立即数可以被直接使用。如：I type(addi)
3. 基址寻址：目标地址=基址（存储于寄存器中）+ 立即数。如：lw,sw
4. PC相对寻址：PC+立即数。如：beq
5. 伪直接寻址：固定PC的高4位不变。如：j

MIPS过程调用

• Preserved（子程序不改变这些寄存器的数据，如果子程序要用，需要子程序维护好）

• Not Preserved（子程序可以改变这些寄存器的数据，如果主程序要用，需要主程序维护好）

  

考虑以下汇编：

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fact:
addi $sp, $sp, -8
sw $ra, 4($sp)
sw $a0, 0($sp)
slti $t0, $a0, 1
beq $t0, $zero, L1
addi $v0, $zero, 1
addi $sp, $sp, 8
jr $ra
L1:
addi $a0, $a0, -1
jal fact
lw $a0, 0($sp)
lw $ra, 4($sp)
addi $sp, $sp, 8
mul $v0, $a0, $v0
jr $ra

对应：

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int fact(int n)
{
	if (n < 1) return 1;
	else return (n * fact(n-1));
}