计算机组成原理期末复习

第一章：计算机系统漫游

编译系统

进程线程之间的关系

1）从定义上说，进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，而线程是进程的执行单元，共享进程的资源

2）具体来说，进程就是运行起来的可执行程序，当我们运行一个可执行程序的时候，就会创建一个或多个进程，创建进程的时候需要分配空间，比如：栈区、文件映射区、堆区、静态区、常量区、代码段，这就是为什么进程也被称为是资源分配的基本单位；每个进程中都有唯一的主线程，有且只有一个，主线程和进程是相互依存的关系，主线程结束进程也会结束

3）每个进程有自己的独立地址空间，不与其他进程分享；一个进程里可以有多个线程，彼此共享同一个地址空间。堆内存、文件、套接字等资源都归进程管理，同一个进程里的多个线程可以共享使用。每个进程占用的内存和其他资源，会在进程退出或被杀死时返回给操作系统

4）并发应用开发可以用多进程或多线程的方式，多线程由于可以共享资源，效率较高；反之，多进程默认是不共享地址空间与资源，开发较为麻烦，共享数据时效率较低。但多进程安全性较好，在某一个进程出问题时，其他进程一般不受影响，而在多线程的情况下，一个线程执行了非法操作会可能导致整个进程退出

存储器层次结构

虚拟地址

第二章：信息的表示和处理

大端与小端

整数运算

移位运算

逻辑右移和算数右移的区别：算术右移填符号位，逻辑右移填 0

整数运算的要点

无论是有符号无符号什么类型，不用管这些方面

整数运算的要点就是：先转换成补码进行运算，运算完转换为原码，最后根据输出的进制和类型输出即可

（需要注意的是，根据不同的类型：1）整形提升，高位补符号位；2）截断，保留的是低位）

之前写过整形计算的文章：C语言-整形的存储，2.3 的部分有例题。

浮点数运算

(-1)^S * M * 2^E

(-1)^S 表示符号位；M 表示有效数字；2^E 表示指数位

举个例子：

十进制的 5.0

先转换成二进制：101.0

写成浮点数的形式：(-1)^0 * 1.01 * 2^2

相当于：S=0 , M=1.01 , E=2

需要注意的地方：

对于 32 位的浮点数，最高的 1 位是符号位 S

接着的 8 位是指数 E，剩下的 23 位为有效数字 M

对于64 位的浮点数，最高的 1 位是符号位 S

接着的 11 位是指数E，剩下的 52 位为有效数字 M

三种情况：规格化，非规格化，特殊情况

规格化：E 不等于 0，E 不等于 255 的时候就是规格化的情况（正常情况）（Normalized）

非规格化：E 存放的全为零（也就是 E = 0）的时候就是非规格化（Denormalized）

特殊情况：E 存放的全为 1（也就是 E = 255）的时候就是特殊情况，特殊情况分为两类：

1. 表示这个数无穷大（Infinity）
2. 表示这个数不存在（NaN）

页转换

如图分析：k = 4 的阶码位和 n = 3 的小数位（位表示：中间的四位和最后的三位）

非规格化的数：

E = 1 - 偏置量，M 的值从 0 开始，分子与位表示最后三位的值保持一致

规格化的数：

E = e - 偏置量，e 代表的是中间四位的值（当中间全为 1 时，最终值为无穷大）

M = 1 + 最后三位的值，浮点数值的计算是： 2^E * M，最终求的取值

第三章：程序的机器级表示

栈的压入和弹出

push 与 pop 指令：

入栈操作：1）栈顶指针(rsp) - 偏移量；2）将保存在寄存器(rax) 的数据保存进栈中

出栈操作：1）将栈顶的数据读出，复制到寄存器(rdx) 中；2）栈顶指针(rsp) + 偏移量

算数与逻辑运算操作指令

学会使用 leaq：

leaq 6(%rax), %rdx -> rdx = rax + 6

leaq (%rax, %rcx), %rdx -> rdx = rax + rcx

leaq (%rax, %rcx, 4), %rdx -> rdx = rax + rcx*4

leaq 7(%rax, %rax, 8), %rdx -> rdx = rax + rax*8 + 7

leaq 0xA(, %rcx, 4), %rdx -> rdx = rcx*4 + 0xA

练习使用其他操作数：

假设：%rax = 0x100 %rcx = 0x1 %rdx = 0x3

0x100 = 0xFF 0x108 = 0xAB 0x110 = 0x13 0x118 = 0x11

计算操作：

addq %rcx, (%rax) -> 0x100(地址) = 0x100 + %rcx 所以 0x100 = 0xFF(值) + 0x1 = 0x100(值)

subq %rdx, 8(%rax) -> (0x100+8)(地址) = 0x108 - %rdx 所以 0x108 = 0xAB - 0x3 = 0xA8

incq 16(%rax), -> 0x100+16 = 0x110 + 1 所以 0x110 = 0x13 + 1 = 0x14 （incq 类似 ++ 操作）

subq %rdx, %rax -> rax = rax - rdx 所以 0x100 = 0x100 - 0x3 = 0xFD （没有括号，直接减的 rax）

移位操作：

sal 和 shl 都是左移操作

sar 是算数右移，shr 是逻辑右移

条件判断与循环

练习：

（备注：%rdi 是 x，jge 表示 >=）

cmpq $-3, %rdi

jge .L2

这两句合在一起就是：如果 x >= -3 就 jump 到 L2 所在的位置

翻译成C语言代码就是：

if ( x < -3 ) {

}

因为 x < -3 程序就会正常往下走，不需要跳转到其他的位置

switch 语句：

跳转表从上到下从 0 开始依次排列

如果遇到重复的 L，就证明对应的数字不存在，不影响数数，继续往下数，不存在的数字全部归到 default

如果遇到两个 case 叠在一起（也就是 case 后面没有内容，而是直接跟着下一个 case）

那这两个 case 在跳转表中存在两个相同的 L，case 的数字就是 L 对应的数字（数字顺序不限（也就是答案不唯一））

第六章：存储器层次结构

存储器

易失性存储器

RAM(RandomAccessMemory)的全名为随机存取记忆体，它相当于PC 机上的移动存储，用来存储和保存数据的。

最常见的易失性存储器类型是随机存取存储器或 RAM。计算机和其他电子设备使用 RAM 进行高速数据访问。RAM 的读/写速度通常比大容量存储设备(例如硬盘或 SSD)快几倍。

非易失性存储器

非易失性存储器(NVMe)是一种半导体技术，不需要持续供电来保留存储在计算设备中的数据或程序代码。

非易失性存储器的例子包括：只读存储器(ROM是非易失性存储器，这意味着信息永久存储在芯片上)、闪存、大多数类型的磁性计算机存储设备(例如硬盘、软盘和磁带)、光盘和早期的计算机存储方法，如纸带和打孔卡。

磁盘的构造：

推荐看这篇文章：[5 分钟图解磁盘的结构（盘片、磁道、扇区、柱面）- CSDN 博客](https://blog.csdn.net/weixin_37641832/article/details/103217311#:~:text=一个 磁盘 （如一个 1T 的机械硬盘）由多个 盘片 （如下图中的,0 号盘片）叠加而成。 盘片的表面涂有 磁性物质 ，这些磁性物质用来记录 二进制 数据。)

程序的局部性

时间局部性

如果被引用过的内存位置很可能在不远的将来还会被多次引用，此时，我们可以说程序具有良好的时间局部性

空间局部性

如果内存一个位置被引用了一次，那么程序很可能在不远的将来引用附近的一个内存位置，此时，我们可以说程序具有良好的空间局限性

Cache

练习题 6.9：

C = B * E * S -> 1024 = 4 * 1 * S -> S = 256

S = 2^s -> 256 = 2^s -> s = 8

B = 2^b -> 4 = 2^b -> b = 2

t = m - (s + b) -> t = 32 - (8 + 2) -> t = 22

解得：S = 256；t = 32；s = 8；b = 2

主要得把公式记住：

C = B * E * S

t = m-(s+b)

S = 2^s

B = 2^b

M = 2^m

直接映射高速缓存的流程：

缓冲区溢出：

缓冲区溢出指当一段程序尝试把更多的数据放入一个缓冲区，数据超出了缓冲区本身的容量，导致数据溢出到被分配空间之外的内存空间，使得溢出的数据覆盖了其他内存空间的数据。攻击者可以利用缓冲区溢出修改计算机的内存，破坏或控制程序的执行，导致数据损坏、程序崩溃，甚至是恶意代码的执行。

防止缓冲区溢出攻击：

• 完整性检查：在程序指针失效前进行完整性检查。
• 随机化地址空间： 关键数据区的地址空间位置随机排列。通常，缓冲区溢出攻击需要知道可执行代码的位置，而随机化地址空间使这几乎不可能。
• 防止数据执行：标记内存的某些区域为可执行或不可执行，从而阻止在不可执行区域运行代码的攻击。
• 编写安全的代码：使用能够帮助识别不安全函数或错误的编译器，利用编译器的边界检查来实现缓冲区的保护。避免使用不进行缓冲区检查的函数（例如，在 C语言中，用 fgets() 代替 gets()）。使用内置保护的语言编写或在其代码中使用特殊的安全性程序，来预防缓冲区溢出漏洞。

第七章：链接

目标文件的三种形式

可重定位目标文件

• 其代码和数据可和其他可重定位文件合并为可执行文件
• 每个 .o 文件由对应的 .c 文件生成
• 每个 .o 文件代码和数据地址都从 0 开始

可执行目标文件

• 包含的代码和数据可以被直接复制到内存中并执行
• 代码和数据地址为虚拟地址空间中的地址

共享的目标文件

• 特殊的可重定位目标文件，能在装入或运行时被装入到内存并自动被链接，称为共享库文件

可重定位目标文件

相关节的表示：

链接时符号相关

什么是强弱符号？

函数和带初始化的全局变量是强；

未初始化的全局变量是弱符号。

符号多重定义的规则：

– 规则1：不允许有多个强符号；
– 规则2：如果有一个强符号 + 一个或多个弱符号，选择强符号；
– 规则3：如果有多个弱符号，任意选一个。

链接报错是什么情况？

连接过程中常见的错误是 符号未找到（undefined reference）和符号重定义（redefinition）

由于在编译器在处理各个符号的时候，已经没有了各个 C语言源文件的概念，只有目标文件。 因此对于这种错误，连接器在报错的时候，只会给出错误的符号的名称，而不会像编译器报错一样给出错误程序的行号。

静态库静态链接逻辑

库在命令行中出现的位置和顺序问题：

练习：