祭祖02

课时2

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计组01 ~ 绯境之外~Outside of Scarlet (scarletborder.blogspot.com)

对上节课的补充

周期时长速换频率

cycle time	cycle rate
250ps	4GHz
500ps	2GHz
1000ps	1GHz

题目常见条件

1. 题目出现same ISA（instructions sets architecture） 意味着 高级语言成为汇编语言后是相同的，指令数是相同的
2. 问快多少倍，用倍数衡量性能而不是快50%这种百分比叙述。

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补遗

指令分类:一些ISA如x86不同指令的CPI悬殊很大，最短少于1个cpu周期，最长如矩阵乘法很长，所以需要给指令分类分别计算时间。依次算平均CPI，这样结果更精确。

计算机功耗：
$\text{POWER }= 电容负载 \times 电压^2 \times 频率$

阈值：功耗墙，不能超，否则烧处理器。
但无法再降低电压和去除热量来提高性能。

功耗墙->另辟蹊径多处理器
Amdahl’’s law
某一个功能部件性能提升n倍$\neq$整个处理器性能提升
$T_\text{improved} = \frac {T_\text{affected}} {\text{improvement factor}} + T_\text{unaffected}$

e.g. 一个程序中乘法运算部分耗时80s，总程序耗时100s
想提高总体性能5倍。则
$20 =\frac {80} n + 20$
n为正无穷，所以无法通过仅提高乘法部分来提高性能至5倍以上。

intro to instructions(指令)

指令集：计算机支持的所有指令的集合。
常见的指令集有x86 arm mips risc_v
其中x86是CISC，其余是RISC（精简指令集，也就是所学的）
但其中大部分内容是相同的

e.g. 86 inherited from Z80

mips是简单，易理解和实现。约有50+个指令
建议指令语法参考这
MIPS官网
MIPS汇编语言入门 - Sylvain’s Blog (valeeraz.github.io)

MIPS汇编语言

常见于嵌入式处理器，如路由器打印机

指令集分为：

• 运算指令，算数运算指令，逻辑运算指令。
• 分支指令，条件/无条件
• 访存指令，读写,load/store

存储程序的概念

一条指令包含两个部分，操作码和操作数
All arithmetic operations have this form

至少需要操作码，因为操作数可以为0个

add a,b,c

操作码 op code	操作数data operand
add	a,b,c

不同的指令有不同数量的操作数，about[0,8]

e.g. We simulate it in the C language,
break contains 0 data, goto(label) contains 1 data , a = b++ contains 2 data

b,c. 源操作数 a目的操作数

now, lets design.
Design Principle 1: Simplicity favours regularity

• Regularity makes implementation simpler
• Simplicity enables higher performance at lower cost

How long is a single command?
固定的，32bits
31st bit |op code<->operand| 0th bit

most op codes occupy 6-bits except for some special op codes
operand : which participate in operator

操作数设计

Design Principle 2: Smaller is faster

1. 寄存器
2. 存储器地址
3. 立即数(常量)

Register operand

处理器包含ALU逻辑运算单元, RF寄存器组

寄存器：运算/数据/结果。中间，结果 。本质是触发器、锁存器构成用来保存数据。
32位则为32个触发器和32个锁存器构成
从0到31编号
In mips ISA，32bits data is called word

Register name,number,use,call convention
mips has a 32x32-bitRegiter file

for example, $t0 $t1 $t2 …$t9 for. temporary values. And $s0 … $s7 for saved variables

如果一个操作数是寄存器，则在指令中占用5bit。这一点可以从有32个寄存器$2^5 =32$可以看出。
c语言声明变量$\to$预分配空间

汇编语言里没有变量。
全局变量，局部变量
局部变量分配的是寄存器，快快快
全局变量是主存里，相对较慢

Memory operands 存储器地址

memory，byte存8bits。住8个二进制
比喻Memory成一座楼，其中房间号就是地址，顺序编号。
如果32个房间则需要5bits来编。00000-11111
如hex数0x12345678
0x12 是高字节，0x78是低字节，其余两个称为较高/较低字节
This hex num occupies 4 bytes, thus we divide 4 sequenced storages unit

mips is big endian。大端最低字节排在最低地址。这一点和x86不同

读时，传最低地址入processor。
读多少字节和操作码有关。
比如lw意为load word就是读取一个word，(4bytes)。

In mips，4 bytes per word（word related to different architecture）

reg vs memo merits and shortcomings

• Registers are faster to access than memory
• Operating on memory data requires loads and stores
  • More instructions to be executed
• Compiler must use registers for variables as much as possible
  • Only spill to memory for less frequently used variables
  • Register optimization is important!

立即数Immediate Operands

e.g.

addi $s3, $s3, 4

没有立即数参与的减法指令，只需要用负数

addi $s3, $s2, -5

Design Principle 3: Make the common case fast
立即数的好处

• Small constants are common
• Immediate operand avoids a load instruction

立即数比寄存器快，CPI也小，为什么指令不全用立即数抛弃寄存器呢，因为立即数表示的大小有限。
例如指令

addi s1 , s2 , -1

分别占位6bits 5bits 5bits
留给立即数只有16bits
表示范围$-2^{15} ～ 2^{15} - 1$

特殊的，0参与指令时必须用寄存器zero而不是立即数。
MIPS register 0 ($zero) is the constant 0

• Cannot be overwritten
  Useful for common operations
• E.g., move between registers

add  $t2,  $s1,  $zero  

额外的话

笔者所学课程是每两周布置一次作业，所以下周的博文中才会带上例题，另外此章未完，下期再见。