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Final Cheatsheet

Note

  1. 并不是最终使用的版本
  2. 与其抄很多知识点，不如抄点例题！

1 Chapter 1#

1.1 performance#

  • elapse time 总时间
  • cpu time 除去 I/O 等其他因素的时间
  • clock cycle time 时钟周期
  • clock rate 时钟频率
  • 同样的代码，如果 ISA 相同，则 #inst 相同
  • power of cpu \(P=C\times V^2 \times F\)
  • amdahl's law \(T_{\text{improved}}=\frac{T_{\text{affected}}}{\text{improvement factor}}+T_{\text{unaffected}}\)
  • MIPS: 每秒钟百万指令数

1.2 great ideas#

  • design for moore's law
  • use abstraction to simplify design
  • make the common case fast
  • performance via parallelism
  • performance via pipelining
  • performance via prediction
  • hierarchy of memories
  • dependability via redundancy

2 Chapter 2 Instructions#

2.1 指令表#

references/CO-InstTypes.webp

references/CO-Insts.webp

这张图不用抄，如果考到了相关指令会给其作用的解释，但是可以记一下每一种指令是什么 type 或者记录一下简单的 opcode？

  • lr.d/lr.w load reserved lr.d rd, (rs1)
    • 从 (rs1) 加载到 rd
    • 并在硬件上保留一个 reservation 标记
  • sc.d/sc.w store conditional sc.d rd, rs2, (rs1)
    • 检查 reservation 标记是否有效，如果有效才将 rs2 的值写入 (rs1)，并标记 rd=0
atomic swap
1
2
3
4
5
again:
    lr.d x10, (x20)
    sc.d x11, (x20), x23
    bne x11, x0, again  # branch again if store failed
    addi x23, x10, 0
lock
1
2
3
4
5
6
    addi x12, x0, 1
again:
    lr.d x10, (x20)  # read lock
    bne x10, x0, again  # 设置了一个锁，解锁条件为 sd x0, 0(x20) 被执行，使得跳转条件不满足
    sc.d x11, (x20), x12  # attempt to store
    bne x11, x0, again

2.1.1 加载 32-bit 立即数#

CO_Ch2, p.80

2.2 寄存器表#

references/CO-Regs.webp

  • ra 在进入函数的第一步就要保护
  • s 类型寄存器使用前要保护
factor
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
fact:
    addi sp, sp, -16  # 栈对齐，sp 分配空间的单位为 16 bytes = 128 bits
    sd ra, 8(sp)  # 保护返回地址，每个参数都对齐到 64 位 double word
    sd a0, 0(sp)  # 保护参数，便于递归
    addi t0, a0, -1
    bge t0, zero, L1  # 如果不是叶子，跳到 L1
    addi a0, zero, 1
    addi sp, sp, 16  # 堆栈平衡
    jalr zero, 0(ra)  # 返回
L1:
    addi a0, a0, -1
    jal ra, fact  # 递归调用
    add t1, a0, zero  # a0 为调用返回值
    ld a0, 0(sp)
    ld ra, 8(sp)  # 恢复参数
    add sp, sp, 16  # 堆栈平衡
    mul a0, a0, t1
    jalr zero, 0(ra)  # 返回

2.3 Memory layout#

简单记一下就行

CO_Ch2, p.69 CO_Ch2, p.70

  • little endians: least significant digit 的地址小，例如 12345678h -> 78 56 34 12
  • fp: 栈帧指针
  • sp: 栈顶指针

3 Chapter 3 Arithmetics#

3.1 数制表示#

  • unsigned
  • signed
    • sign-magnitude
    • 2's complement
    • 移码，例如加 bias = -128

3.2 Add, Sub#

  • 减就是加上补码
  • overflow
    • 负数相加得到正数
    • 正数相加得到负数

3.3 Mul#

CO 03 Arithmetic for Computer#4 Multiplication

CO_Ch3, p.51

3.4 Div#

CO 03 Arithmetic for Computer#5 Division

CO_Ch3, p.68

3.5 Floating point#

  • IEEE 754 sign | exp | frac
    • 32-bit: sign 1 | exp 8 | frac 23
    • 64-bit: sign 1 | exp 11 | frac 52
    • infinity: exp = 111...1, frac = 000...0 无穷也分正负
    • nan: exp = 111...1, frac != 000...0 illegal or undefined result
  • rounding guard (frac[-1]) | round (frac[-2]) | sticky (frac[-3])
    • sticky 表示 round 后面是否还有 1，如果有 1 那么 sticky 就是 1
    • round to nearest even 精度是 0.5ulp

CO_Ch3, p.87

4 Chapter 4 CPU#

4.1 Single cycle cpu#

CO_Ch4_Pt1, p.49

题型

  • 信号是什么
  • datapath 流程/需要的 unit
  • 实现一定的指令扩展，信号？datapath？

4.2 Pipelined cpu#

CO_Ch4_Pt2, p.69

CO_Ch4_Pt2, p.54

  • 多/单周期流水线示意图样例

4.2.1 Data Hazard#

4.2.1.1 EX hazard#
1
2
3
4
5
if (
    EX/MEM.RegWrite
    and (EX/MEM.Rd != 0)
    and (EX/MEM.Rd == ID/EX.Rs1)
) ForwardA = 10
4.2.1.2 Mem hazard load use#
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
if (
    MEM/WB.RegWrite
    and (MEM/WB.Rd != 0)  // 有效 WB
    and not (
        EX/MEM.RegWrite
        and (EX/MEM.Rd != 0)  // 上一条指令有效 WB
        and (EX/MEM.Rd == ID/EX.Rs1)
    )  // 下一条指令不需要进行 EX hazard forwarding
    and (MEM/WB.Rd == ID/EX.Rs1)
) ForwardA = 01
4.2.1.3 Stall load use#
1
2
3
4
5
6
7
if (
    ID/EX.MemRead
    and (
        (ID/EX.Rd == IF/ID.Rs1)
        or (ID/EX.Rd == ID/IF.Rs2)
    )
) stall the pipeline

load use: stall + mem forwarding

4.2.2 Branch Hazard#

  • branch 可以提前到 ID，但是至少仍然产生一个 bubble
  • dynamic prediction: ½-bit predictor
  • branch target buffer，执行到 branch 就根据预测结果跳到 target 执行，不用再计算 pc

4.2.3 Exceptions#

  • PC -> SPEC (Supervisor Exception Program Counter)
  • ERROR CODE -> SCAUSE (Supervisor Exception Cause Register)
  • 跳转到 handler
    • if restartalbe: 修正错误，并返回到 SPEC
    • else 终止，向操作系统上报错误
  • PC 前面需要扩展一个 MUX 来进行选择

![[Textbook/Computer Organization and Design [RISC-V Edition].pdf#page=472&rect=138,132,494,449|Computer Organization and Design [RISC-V Edition], p.352]]

5 Memory Hierarchy#

  • 金字塔
  • disk access time 计算示例
  • 几种表示例
  • 几种 cache 结构示例
    • direct mapped
    • fully associative
    • set asso

5.1 Write#

  • write miss 如果目标不在内存里
    • write around: 直接写到 mem
    • write allocate: 先加载到 cache 再执行正常的写
  • 正常的写操作 write strategy
    • write through: 总是写入到 mem
      • -> 问题：write stall -> 使用 write buffer 解决
    • write back 需要

5.2 Perf#

  • AMAT = hit time + miss time = hit time + miss rate * miss penalty
  • CPU Time = CPU exe. clock cycles + mem-stall clock cycles

6 IO#

  • throughput & response time
  • (average) disk access time
    • (average) seek time
    • rotational latency 平均转半圈
    • transfer time: 读取和传输一个 sector
    • disk controller: 控制器延迟