计算机组成原理

一、计算机组成

1. cpu

1.1. 指令周期、cpu周期、时钟周期

参考 【浅析】CPU中的指令周期、CPU周期和时钟周期

• 一个指令周期包含取指令和执行指令，包含多个cpu周期
• 一个cpu周期包含多个时钟周期

二、机器码

1. 补码

1.1. 为什么要有补码

做一个假设，要计算 $-1 + 1 = 0$ ，如果没有补码，计算转二进制（按照8bit算）是

$$
00000001 + 10000001
$$

需要判断首位，来处理是加还是减，增加了加法器的复杂度。

使用补码将是

$$
000000001 + 11111111 = 100000000
$$

第九位舍弃，使用加法器可以直接实现。所以补码是为了将符号位一起参与运算，减少硬件复杂度而出现的设计。

1.2. 补码转化

• 正数补码是本身
• 负数补码是对应的正数取反加一

$$
-1 = \neg 1 + 1 = 11111110 + 00000001 = 11111111
$$

三、数据和地址

1. 地址对齐

• 32位和64位机器的区别在于地址的表示是用32位还是64位表示
• 由此可以得出计算机对于内存的操作是按照整32位和整64位操作的，这样效率最高
• 所以对于c语言中结构体的定义，一般是默认4字节对齐或者8字节对齐
• 内存中的结构体的储存是在以4字节或8字节为单位的内存块中
• 那么可以说明结构体的首地址一定是4的倍数或8的倍数

举例，按照32位举例，64位类似

struct rb_node {
	unsigned long  __rb_parent_color;
	struct rb_node *rb_right;
	struct rb_node *rb_left;
} __attribute__((aligned(sizeof(long))));

• 上面的结构体是4字节对齐，说明rb_node结构体在内存中的存储一定是4的倍数
• 因为地址中每个地址代表一个8位的内存块，对于cpu来说，一次读取一个内存块是4个字节的
• 如果要处理结构体，从效率来说，将结构体存到4的倍数是可以直接读取到首地址，不然还要偏移
• 所以上面的结构体，地址一定是4的倍数，也就是0x00、0x04、0x08这样的，后两位一定是0