CS110 计算机体系结构 2 梦开始的地方

CS110 这门课本身讲述顺序相当合理，我将会大致沿用上课的顺序进行介绍，即和我的笔记大概一致。在少数我认为顺序不合理的地方，我会自行调整顺序，不过内容大致一致，因此读者只需要阅读本教程或笔记二者其一即可。

Great ideas in CA

本来想着把这个标题翻译成“计算机体系结构中的伟大思想”，但是又觉得有点画风突变的感觉，我不希望把 CA 做成像文科一样的课程。总之，如果你现在不理解以下这些内容也没关系——等到学完整个课程，你一定会有全新的认识。

Abstraction (Layers of Representation / Interpretation) —— 抽象（表示/解释的分层）
Moore’s Law (designing through trends) —— 摩尔定律（通过趋势进行设计）
Make the common case fast (Amdahl’s Law) —— 让常见情况变快（阿姆达尔定律）
Principle of locality (memory hierarchy) —— 局部性原理（内存层次结构）
Parallelism (pipeline as special case) —— 并行性（流水线作为特例）
Performance measurement and improvement —— 性能测量与提升
Dependability via redundancy —— 通过冗余实现可靠性

顺带说一句，考试的时候会可能会涉及以上内容，请读者务必抄到 Cheatsheet 上。

这是整个课程梦开始的地方，最后我们会再回到这里的。会的。

C 语言

从哪里开始讲呢？我们按照从上至下的顺序，也就是从我们使用的高级程序设计语言之一：C语言，开始讲。

相信各位读者对于 C 语言的语法都很了解（否则请参考C 语言教程 | 菜鸟教程，不过这门课其实对 C 代码没有过高的要求，能看懂、区分出各类 UB，CE 和 RTE 即可）。作为几乎在所有平台上都能使用的语言，C 语言有更完整的变量类型定义、更好的内存管理，需要经过编译过程执行。接下来我们先简单复习一下 C 语言的内存管理相关内容。这些内容可能看上去有些碎片化，不过还请读者挑选其中记不熟的内容抄到 Cheatsheet 上。

C 语言的一些基础知识

严格来说，C 语言的指针类型大小是和系统有关的，但是方便起见，我们在本课程中统一指针大小为 4 byte，即 32 位——这就是我们常说的“32位计算机”里的“32位”的来源——32 bit 长度的地址。一般的计算机是 byte addressing 的，即每个确定的地址（如 0x1145DCBC）对应内存里的一个确定的字节。

一般来说，C 语言中的数组和指针是等效的（如 ar[2] 等效于 *(ar+2)），但是也有例外：

1 2	char string1[] = "abc"; // 可以修改 char *string2 = "abc"; // 不能修改

在字符串中，存储时一般会在字符串尾部添加 \0 来标记字符串长度，但是也有特例：

char s[] = "abc", t[3] = "abc";
// 等价于
char s[] = {'a', 'b', 'c', '\0'},
     t[] = {'a', 'b', 'c'};

回到数组，主函数传参时，采用参数数量 + 参数数组的格式传入：

1	int main(int argc, char *argv[])

其中 argc 表示参数数量 Argument Count（即命令行上空格隔开字符串的数量），argv Argument Vector 为一个指向这些字符串指针的数组。例如：

1	% clang -ansi test001.c -o test001.out

此时 argc = 5，argv = ["clang", "-ansi", "test001.c", "-o", "test001.out"]

这启发我们设计数组作为参数传入函数时，务必同时传入数组长度，否则如果发生越界访问，会极难发现。

在涉及指针运算时，存在内存对齐问题。在内存读取时，是每个 byte 作为独立单位读取的（即我们前面讲到的 byte addressing 导致的），因此数据需要对齐 Alignment。

对于整型 int 数据(4 byte)，要求存储时需要最低位存储在 4 byte 的整倍数的内存地址上；
对于短整型 short 数据(2 byte)，要求存储时需要最低位存储在 2 byte 的整倍数的内存地址上。

对于指针的运算，C 语言只定义了如下运算：

加减整数
指针作差
指针比较
和 NULL 比较

其它运算均为不合法运算。

另外，C 语言定义数组越界1位处必为合法地址，但是对这个地址解引用是非法的。这是为了方便检查访问越界，同时不破坏存储的其它数据。

C 语言的内存管理

C 语言程序在运行时的内存分为 4 个区域：栈区 stack，堆区 heap，静态数据区域 static data，代码区 code。这四个区域各有各的用处和特性：

栈区 stack：存放连续地址的栈帧（包含函数的返回地址（调用者）、函数参数、函数内部定义的局部变量）；函数被调用时入栈，函数终止时弹栈。栈区一般从高地址向低地址生长。
堆区 heap：运行时不连续分配的内存区域，由 malloc() calloc() realloc() free() 手动管理空间；一般比栈区空间更大（但是也要记得释放空间，防止内存泄漏）。堆区一般从低地址向高地址生长。（不用担心栈区和堆区撞在一起，后续内存分页会解决这个问题）
静态数据区域 static data：存储全局/静态变量，其中又分为三个区域：
- .rodata 区：是只读的 read-only，存储字符串字面量、（被自动/手动初始化的）const 修饰的全局/静态变量。
- .data 区：存储非零初始化的全局变量/静态变量。
- .bss 区：Block started by symbol，存储未初始化或显式初始化为 0 的全局/静态变量。
代码区 code：存储代码，运行时一般只读。

记不住没关系，看一眼下面的程序，你就能理解了。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int g_data = 1          // 非零初始化的全局变量 g_data，放在 .data 区
int g_bss;              // 未初始化的全局变量 g_bss 自动初始化为 0，放在 .bss 区
const char *ro_str = "RO";         // "RO" 放在 .rodata 区, 而 ro_str 放在 .data 区

// 这个函数 demo() 放在 code 区
void demo(int stack_arg) {         // 这个参数 stack_arg 放在栈区
    int stack_var = 2;             // 局部变量 stack_var 放在栈区
    static int s_data = 3;         // 静态变量 s_data 放在 .data 区
    void *heap = malloc(8);        // 指针 heap 是栈区的局部变量，而 heap 指向的区域在堆区
    free(heap);                    // 释放堆区空间
}

int main() {
    demo(0);
    return 0;
}

至此，关于 C 语言的基本知识就介绍得差不多了。对于有 C 语言基础的读者，这部分应该只是复习性质的；对于没有基础的读者，请完全理解以上这一节的内容，然后你的水平就和其他人站在同一起跑线上了。

程序：从代码到执行

在本课程讨论的范围内，程序从代码到执行的过程大致可以分为四步：编译 Compilation - 汇编 Assembly - 链接 Linking - 加载 Loading。

具体的过程在此处不做详细解释，等到我们深入了解完 RISC-V 这门汇编语言，再回来讲每个部分分别做了什么。读者此处只需要大致了解这个过程，以防后续深入某一部分时“只缘身在此山中”。

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