1. 從一道指令周期題說起硬件基礎(chǔ)到底在考什么很多人第一次翻開軟件設(shè)計(jì)師的備考資料看到計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)這一章第一反應(yīng)是跳過。理由也很充分我是來做軟件設(shè)計(jì)的憑什么要懂什么總線、什么Cache、什么流水線我當(dāng)初也是這么想的直到做了一套真題被一道指令周期的計(jì)算題卡了整整二十分鐘才意識(shí)到這一章的分值雖然不算最高但它是整張?jiān)嚲砝镄詢r(jià)比最穩(wěn)的一塊——概念清晰、公式固定、題型重復(fù)率高屬于投入兩小時(shí)就能穩(wěn)穩(wěn)拿分的類型。軟件設(shè)計(jì)師考試?yán)锏挠布A(chǔ)和大學(xué)里計(jì)算機(jī)組成原理那門課完全不是一個(gè)難度層級(jí)。它不要求你會(huì)畫時(shí)序圖也不要求你推導(dǎo)浮點(diǎn)運(yùn)算的舍入誤差它考的是你對(duì)計(jì)算機(jī)這個(gè)黑盒子的運(yùn)行邏輯有沒有一個(gè)清晰的框架認(rèn)知。指令怎么取、怎么譯碼、怎么執(zhí)行數(shù)據(jù)在CPU、內(nèi)存、Cache之間怎么流動(dòng)總線帶寬怎么算流水線為什么能提速、提速的上限在哪里。這些東西說白了就是一句話你得知道程序跑起來的時(shí)候機(jī)器內(nèi)部發(fā)生了什么。這篇文章面向的是正在備考軟件設(shè)計(jì)師、或者想系統(tǒng)梳理硬件基礎(chǔ)知識(shí)的人。我會(huì)把這一章的核心考點(diǎn)拆成幾個(gè)模塊每個(gè)模塊講清楚三件事這個(gè)概念為什么存在、考試怎么考、以及我在做題時(shí)踩過哪些坑。文中涉及的計(jì)算題我都會(huì)給出完整的推導(dǎo)過程涉及的概念我都會(huì)用生活化的類比幫你建立直覺。你不需要任何硬件背景跟著走一遍就能把這一章吃透。需要先說明的是軟件設(shè)計(jì)師的硬件部分有個(gè)很明顯的特征它考的不是深度而是廣度和準(zhǔn)確度。廣度意味著你要知道的東西不少從數(shù)制轉(zhuǎn)換到存儲(chǔ)體系到總線到流水線覆蓋面很寬準(zhǔn)確度意味著很多題目就卡在一個(gè)細(xì)節(jié)上比如Cache命中率的公式里到底是命中次數(shù)還是命中率比如流水線的周期到底取哪一級(jí)的最大值。這些細(xì)節(jié)教材上往往一筆帶過但考試偏偏就考這些。2. 數(shù)據(jù)的表示為什么補(bǔ)碼能統(tǒng)治整個(gè)計(jì)算機(jī)2.1 原碼、反碼、補(bǔ)碼的來龍去脈計(jì)算機(jī)里所有的數(shù)據(jù)歸根結(jié)底都是0和1。但0和1怎么表示負(fù)數(shù)這件事在歷史上折騰了很久。最早用的是原碼最高位當(dāng)符號(hào)位0表示正1表示負(fù)剩下的位表示絕對(duì)值。這個(gè)方案最直觀人一看就懂但它有兩個(gè)致命問題。第一個(gè)問題是正零和負(fù)零。8位原碼里00000000表示010000000表示-0。同一個(gè)零有兩種表示這在邏輯上就很別扭硬件做比較的時(shí)候還得額外判斷。第二個(gè)問題更嚴(yán)重減法沒法直接用加法器實(shí)現(xiàn)。你用原碼做1(-1)硬件得先判斷符號(hào)、再?zèng)Q定是做加法還是減法、最后還要處理符號(hào)位電路設(shè)計(jì)會(huì)變得非常復(fù)雜。于是有了反碼正數(shù)的反碼和原碼一樣負(fù)數(shù)的反碼是符號(hào)位不變、其余位取反。反碼解決了減法的問題但正負(fù)零的問題還在——00000000是011111111是-0。最終的贏家是補(bǔ)碼。補(bǔ)碼的規(guī)則是正數(shù)的補(bǔ)碼等于原碼負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼等于反碼加一。這個(gè)加一看起來簡(jiǎn)單效果卻非常漂亮它把-0的那個(gè)編碼擠掉了讓8位能表示的范圍從-127到127變成了-128到127多表示了一個(gè)數(shù)。更重要的是補(bǔ)碼讓減法徹底變成了加法——A減去B直接算A加上B的補(bǔ)碼就行符號(hào)位一起參與運(yùn)算不需要任何特殊處理。記憶技巧求負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼從右往左找到第一個(gè)1這個(gè)1和它右邊的0都不動(dòng)左邊的所有位全部取反。比如-6的8位補(bǔ)碼6是00000110從右往左第一個(gè)1在倒數(shù)第二位保留這個(gè)1和右邊的0左邊取反得到11111010。這個(gè)方法比取反加一快得多考場(chǎng)上能省不少時(shí)間?？荚?yán)镒畛Ｒ姷目挤ㄊ墙o你一個(gè)十進(jìn)制數(shù)讓你寫出它的補(bǔ)碼或者反過來給你一個(gè)補(bǔ)碼讓你還原成十進(jìn)制。還有一種進(jìn)階考法是補(bǔ)碼的符號(hào)擴(kuò)展把一個(gè)8位補(bǔ)碼擴(kuò)展成16位正數(shù)高位補(bǔ)0負(fù)數(shù)高位補(bǔ)1。這個(gè)點(diǎn)在涉及數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的題目里經(jīng)常出現(xiàn)。2.2 浮點(diǎn)數(shù)的表示與IEEE 754的考試套路浮點(diǎn)數(shù)在考試?yán)锏某霈F(xiàn)頻率比定點(diǎn)數(shù)低但一旦出現(xiàn)就是送分題或者送命題。送分的情況是考你IEEE 754的基本結(jié)構(gòu)符號(hào)位1位、階碼8位用移碼表示、尾數(shù)23位用原碼表示且隱含最高位的1。送命的情況是考你階碼的偏移量到底是多少、隱含位什么時(shí)候加什么時(shí)候不加。我用一個(gè)具體例子把整個(gè)流程走一遍。把十進(jìn)制數(shù)-12.5轉(zhuǎn)成IEEE 754單精度格式第一步轉(zhuǎn)成二進(jìn)制12.5 1100.1。第二步規(guī)格化把小數(shù)點(diǎn)移到第一個(gè)1后面得到1.1001乘以2的3次方。第三步確定符號(hào)位負(fù)數(shù)為1。第四步算階碼指數(shù)是3移碼的偏移量是127所以階碼 3 127 130轉(zhuǎn)成二進(jìn)制是10000010。第五步確定尾數(shù)規(guī)格化后小數(shù)點(diǎn)后面的部分是1001補(bǔ)足23位得到10010000000000000000000。拼起來就是1 10000010 10010000000000000000000。注意階碼用移碼而不是補(bǔ)碼原因是移碼做比較運(yùn)算更方便——移碼的無符號(hào)比較結(jié)果和帶符號(hào)比較結(jié)果一致硬件實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單。這個(gè)為什么考試不考但理解了能幫你記住偏移量是127而不是128。浮點(diǎn)數(shù)這塊還有一個(gè)常考的對(duì)比單精度和雙精度的區(qū)別。單精度是1823雙精度是11152。雙精度的階碼偏移量是1023?？荚囉袝r(shí)候會(huì)給你一個(gè)雙精度的十六進(jìn)制表示讓你解析套路和單精度完全一樣只是位數(shù)變了。2.3 校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)、海明碼和CRC的分工校驗(yàn)碼這一塊三種碼各有各的適用場(chǎng)景考試喜歡考它們的區(qū)別和計(jì)算。奇偶校驗(yàn)最簡(jiǎn)單就是在數(shù)據(jù)后面加一位使得整個(gè)編碼中1的個(gè)數(shù)是奇數(shù)奇校驗(yàn)或偶數(shù)偶校驗(yàn)。它能檢測(cè)出奇數(shù)個(gè)位出錯(cuò)但檢測(cè)不出偶數(shù)個(gè)位出錯(cuò)而且完全不能糾錯(cuò)?？荚囈话憔涂寄隳懿荒軝z錯(cuò)能不能糾錯(cuò)這兩個(gè)判斷。海明碼是考試的重點(diǎn)。它的核心思想是在數(shù)據(jù)的特定位置插入校驗(yàn)位每個(gè)校驗(yàn)位負(fù)責(zé)校驗(yàn)一組特定的數(shù)據(jù)位。校驗(yàn)位的位置是2的冪次方第1、2、4、8、16位。每個(gè)數(shù)據(jù)位的位置編號(hào)可以拆成若干個(gè)校驗(yàn)位位置的和它就被那幾個(gè)校驗(yàn)位共同校驗(yàn)。舉個(gè)例子8位數(shù)據(jù)需要幾位校驗(yàn)位公式是2的k次方大于等于nk1其中n是數(shù)據(jù)位數(shù)k是校驗(yàn)位數(shù)。n8時(shí)k4因?yàn)?的4次方168411316大于等于13。所以8位數(shù)據(jù)需要4位校驗(yàn)位總共12位。海明碼的糾錯(cuò)能力是檢二糾一可以檢測(cè)出兩位錯(cuò)誤或者糾正一位錯(cuò)誤?？荚嚱?jīng)常考這個(gè)結(jié)論以及校驗(yàn)位位數(shù)的計(jì)算。CRC碼循環(huán)冗余校驗(yàn)在考試?yán)镏饕几拍钏怯枚囗?xiàng)式除法產(chǎn)生的檢錯(cuò)能力強(qiáng)但同樣不能糾錯(cuò)。CRC在通信和存儲(chǔ)領(lǐng)域用得非常多考試有時(shí)候會(huì)結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)景來考你選哪種校驗(yàn)方式。校驗(yàn)方式檢錯(cuò)能力糾錯(cuò)能力典型應(yīng)用場(chǎng)景奇偶校驗(yàn)奇數(shù)位錯(cuò)誤無簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)傳輸海明碼兩位錯(cuò)誤一位錯(cuò)誤內(nèi)存校驗(yàn)CRC碼多位錯(cuò)誤無網(wǎng)絡(luò)通信、磁盤存儲(chǔ)3. 存儲(chǔ)體系從寄存器到硬盤的速度階梯3.1 存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)為什么長(zhǎng)這樣計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體系是一個(gè)金字塔越往上速度越快、容量越小、價(jià)格越貴越往下速度越慢、容量越大、價(jià)格越便宜。這個(gè)結(jié)構(gòu)不是人為設(shè)計(jì)的而是被物理規(guī)律逼出來的——速度快的存儲(chǔ)介質(zhì)比如SRAM成本高、集成度低速度慢的介質(zhì)比如磁盤成本低、容量大。如果全部用最快的機(jī)器貴得沒人買得起如果全部用最慢的機(jī)器慢得沒法用。所以只能分層用Cache把常用的數(shù)據(jù)放在離CPU近的地方。這個(gè)層次結(jié)構(gòu)里考試最關(guān)注的是Cache和主存之間的交互。Cache的存在基于一個(gè)叫局部性原理的假設(shè)程序在一段時(shí)間內(nèi)傾向于訪問同一塊內(nèi)存區(qū)域空間局部性以及重復(fù)訪問同一塊內(nèi)存區(qū)域時(shí)間局部性。因?yàn)橛辛司植啃园炎罱眠^的數(shù)據(jù)放在Cache里下次訪問就能直接命中不用去慢速的主存里取。3.2 Cache命中率與平均訪問時(shí)間的計(jì)算這是硬件部分最高頻的計(jì)算題沒有之一。公式本身不復(fù)雜但考試喜歡在細(xì)節(jié)上做文章?；竟绞瞧骄L問時(shí)間 命中率 × Cache訪問時(shí)間 未命中率 × 主存訪問時(shí)間。但這里有個(gè)坑有些題目里未命中時(shí)的訪問時(shí)間不是單純的主存訪問時(shí)間而是先訪問Cache發(fā)現(xiàn)沒命中再去訪問主存的總時(shí)間也就是Cache訪問時(shí)間加上主存訪問時(shí)間。這兩種理解會(huì)導(dǎo)致完全不同的答案。我拿一道典型題來說明。假設(shè)Cache訪問時(shí)間是1ns主存訪問時(shí)間是10ns命中率是95%。如果按第一種理解平均時(shí)間 0.95×1 0.05×10 0.95 0.5 1.45ns。如果按第二種理解平均時(shí)間 0.95×1 0.05×(110) 0.95 0.55 1.5ns。做題時(shí)一定要看清楚題目怎么描述未命中的過程。如果題目說未命中時(shí)需要訪問主存通常指的是第二種如果說未命中時(shí)直接訪問主存可能是第一種。這個(gè)細(xì)節(jié)每年都能坑掉一批人。還有一種進(jìn)階考法是多級(jí)Cache。比如L1和L2兩級(jí)CacheL1命中率90%L2命中率80%在L1未命中的情況下。這時(shí)候的計(jì)算要分步先算L1未命中的概率是10%這10%里又有80%在L2命中所以L2的全局命中率是10%×80%8%剩下2%才去訪問主存。平均時(shí)間 0.9×L1時(shí)間 0.08×L2時(shí)間 0.02×主存時(shí)間。3.3 主存容量計(jì)算與地址編址主存容量的計(jì)算題通常和地址總線、數(shù)據(jù)總線結(jié)合在一起考。核心關(guān)系是存儲(chǔ)容量 存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù) × 每個(gè)存儲(chǔ)單元的位數(shù)。如果題目告訴你地址總線是20位數(shù)據(jù)總線是8位那么存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)是2的20次方每個(gè)單元8位總?cè)萘烤褪?的20次方×8位 1M×8位 1MB。這里有個(gè)容易混淆的點(diǎn)按字節(jié)編址和按字編址。按字節(jié)編址時(shí)每個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)8位按字編址時(shí)每個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)字字長(zhǎng)可能是16位、32位等。如果題目說按字編址字長(zhǎng)為32位地址總線24位那么容量 2的24次方×32位 16M×32位 64MB。考試還喜歡考內(nèi)存芯片的擴(kuò)展。比如用若干片小容量芯片拼成大容量?jī)?nèi)存需要多少片。這個(gè)計(jì)算分兩步先看位擴(kuò)展數(shù)據(jù)位數(shù)不夠需要并聯(lián)再看字?jǐn)U展存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)不夠需要串聯(lián)。比如用1K×4位的芯片組成4K×8位的內(nèi)存需要(4K/1K)×(8/4) 4×2 8片。4. 指令系統(tǒng)與流水線CPU內(nèi)部的裝配線4.1 指令的格式與尋址方式一條指令通常由操作碼和操作數(shù)兩部分組成。操作碼告訴CPU要做什么加、減、跳轉(zhuǎn)等操作數(shù)告訴CPU對(duì)誰做。操作碼的位數(shù)決定了指令的種類數(shù)如果操作碼有4位最多支持16種指令。尋址方式是考試的高頻考點(diǎn)核心是搞清楚操作數(shù)在哪里。常見的尋址方式有立即尋址操作數(shù)直接寫在指令里取指令的時(shí)候順便就取到了速度最快但操作數(shù)大小受指令長(zhǎng)度限制。直接尋址指令里給的是操作數(shù)的內(nèi)存地址需要再訪問一次內(nèi)存才能拿到操作數(shù)。間接尋址指令里給的是一個(gè)地址這個(gè)地址里存的才是操作數(shù)的地址需要訪問兩次內(nèi)存。寄存器尋址操作數(shù)在寄存器里不需要訪問內(nèi)存速度快。寄存器間接尋址指令里給的是寄存器編號(hào)寄存器里存的是操作數(shù)的內(nèi)存地址需要訪問一次內(nèi)存?？荚嚦？嫉氖悄姆N尋址方式需要訪問幾次內(nèi)存。記住一個(gè)規(guī)律操作數(shù)在指令里立即尋址是0次操作數(shù)在寄存器里寄存器尋址是0次操作數(shù)在內(nèi)存里直接尋址是1次操作數(shù)的地址在內(nèi)存里間接尋址是2次。4.2 流水線的基本原理與執(zhí)行時(shí)間計(jì)算流水線的思想來自工廠的裝配線把一條指令的執(zhí)行拆成多個(gè)階段每個(gè)階段由獨(dú)立的硬件負(fù)責(zé)不同指令的不同階段可以重疊執(zhí)行。這樣雖然單條指令的執(zhí)行時(shí)間沒變但整體的吞吐率提高了。經(jīng)典的流水線分五個(gè)階段取指IF、譯碼ID、執(zhí)行EX、訪存MEM、寫回WB。在理想情況下每個(gè)時(shí)鐘周期都有一條指令完成流水線的吞吐率是每個(gè)周期一條指令。流水線的執(zhí)行時(shí)間計(jì)算公式是第一條指令的完整執(zhí)行時(shí)間 (指令條數(shù) - 1) × 流水線周期。其中流水線周期是所有階段中耗時(shí)最長(zhǎng)的那個(gè)階段的時(shí)間。舉個(gè)例子某流水線分4個(gè)階段各階段時(shí)間分別是2ns、3ns、2ns、1ns執(zhí)行100條指令。流水線周期取最大值3ns。第一條指令需要23218ns剩下的99條每條需要一個(gè)周期3ns總時(shí)間 8 99×3 305ns。如果不使用流水線每條指令都需要8ns100條就是800ns。加速比 800/305 ≈ 2.62。這里有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)流水線的加速比有上限上限等于流水線的級(jí)數(shù)。因?yàn)槔硐肭闆r下流水線的吞吐率是串行的k倍k是級(jí)數(shù)但實(shí)際中由于各階段時(shí)間不均衡、存在數(shù)據(jù)沖突等原因加速比會(huì)低于k。考試如果問你加速比能否超過流水線級(jí)數(shù)答案是不能。4.3 流水線的沖突與冒險(xiǎn)流水線不是完美的它會(huì)遇到三種沖突結(jié)構(gòu)沖突是指多條指令同時(shí)爭(zhēng)用同一個(gè)硬件資源。比如取指階段和訪存階段都要訪問內(nèi)存如果只有一個(gè)內(nèi)存端口就會(huì)沖突。解決辦法是增加硬件資源比如分開的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。數(shù)據(jù)沖突是指后面的指令需要用到前面指令還沒寫回的結(jié)果。比如指令A(yù)要算R1R2存到R3指令B緊接著要用R3。解決辦法有 forwarding旁路技術(shù)把計(jì)算結(jié)果直接傳給下一條指令不用等寫回或者插入氣泡stall讓流水線等一等?？刂茮_突是指遇到跳轉(zhuǎn)指令時(shí)流水線不知道下一條該取哪條指令。解決辦法有分支預(yù)測(cè)猜一個(gè)方向先取著猜錯(cuò)了再回滾?？荚?yán)飻?shù)據(jù)沖突考得最多通常給你一段指令序列問你哪里會(huì)發(fā)生沖突、需要插入幾個(gè)氣泡。判斷方法是看相鄰指令之間有沒有寫后讀的關(guān)系。5. 總線與I/O系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高速公路與出入口5.1 總線帶寬的計(jì)算總線是連接CPU、內(nèi)存、外設(shè)的公共通道。總線的性能指標(biāo)主要有兩個(gè)寬度和頻率。寬度是指一次能傳多少位數(shù)據(jù)頻率是指每秒能傳多少次?？偩€帶寬的計(jì)算公式是帶寬 總線寬度 × 總線頻率 / 8除以8是把位轉(zhuǎn)換成字節(jié)。比如總線寬度32位頻率100MHz帶寬 32×100M/8 400MB/s?？荚囉袝r(shí)候會(huì)考總線復(fù)用地址線和數(shù)據(jù)線共用一組線先傳地址再傳數(shù)據(jù)。這樣做的好處是減少引腳數(shù)降低成本缺點(diǎn)是降低了傳輸效率因?yàn)榈刂泛蛿?shù)據(jù)不能同時(shí)傳。還有一種考法是總線的仲裁多個(gè)設(shè)備同時(shí)請(qǐng)求使用總線時(shí)怎么決定誰先用。常見的仲裁方式有鏈?zhǔn)讲樵?、?jì)數(shù)器定時(shí)查詢、獨(dú)立請(qǐng)求。鏈?zhǔn)讲樵冏詈?jiǎn)單但優(yōu)先級(jí)固定離控制器近的設(shè)備優(yōu)先級(jí)高獨(dú)立請(qǐng)求最靈活但需要的線最多。5.2 I/O控制方式的演進(jìn)I/O控制方式經(jīng)歷了從CPU全程參與到CPU幾乎不參與的演進(jìn)考試喜歡考這幾種方式的區(qū)別。程序查詢方式CPU不斷查詢外設(shè)的狀態(tài)直到外設(shè)準(zhǔn)備好才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種方式CPU利用率極低因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)間都在空轉(zhuǎn)等待。中斷方式外設(shè)準(zhǔn)備好之后主動(dòng)通知CPUCPU暫停當(dāng)前程序去處理數(shù)據(jù)傳輸。這種方式比查詢方式效率高但每次數(shù)據(jù)傳輸都需要CPU介入對(duì)于大量數(shù)據(jù)傳輸來說開銷還是太大。DMA方式直接內(nèi)存訪問由一個(gè)專門的DMA控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)搬運(yùn)CPU只需要在開始的時(shí)候告訴DMA從哪搬到哪、搬多少然后就可以去干別的事了。DMA搬完之后發(fā)一個(gè)中斷通知CPU。這種方式適合大量數(shù)據(jù)的快速傳輸比如磁盤讀寫。通道方式比DMA更高級(jí)通道本身就是一個(gè)小的處理器可以執(zhí)行通道程序控制多臺(tái)外設(shè)。這種方式在大中型機(jī)里用得多軟件設(shè)計(jì)師考試?yán)镆话阒豢几拍睢/O方式CPU參與程度適用場(chǎng)景數(shù)據(jù)傳輸單位程序查詢?nèi)虆⑴c簡(jiǎn)單外設(shè)字節(jié)/字中斷每次傳輸都參與鍵盤、鼠標(biāo)字節(jié)/字DMA僅開始和結(jié)束參與磁盤、網(wǎng)卡數(shù)據(jù)塊通道幾乎不參與大型機(jī)多外設(shè)一組數(shù)據(jù)塊5.3 中斷處理的全過程中斷是考試的重點(diǎn)尤其是中斷響應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)和中斷處理的步驟。中斷響應(yīng)的時(shí)機(jī)是一條指令執(zhí)行完畢之后而不是在指令執(zhí)行過程中。這是因?yàn)橹噶顖?zhí)行到一半被打斷的話現(xiàn)場(chǎng)很難保存和恢復(fù)。所以CPU會(huì)在每條指令結(jié)束時(shí)檢查有沒有中斷請(qǐng)求有的話就響應(yīng)。中斷處理的完整步驟是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)把當(dāng)前程序的斷點(diǎn)和寄存器內(nèi)容壓棧、識(shí)別中斷源找到是哪個(gè)設(shè)備發(fā)出的中斷、執(zhí)行中斷服務(wù)程序、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、返回?cái)帱c(diǎn)?？荚嚦？嫉囊粋€(gè)細(xì)節(jié)是中斷屏蔽高優(yōu)先級(jí)的中斷可以屏蔽低優(yōu)先級(jí)的中斷但低優(yōu)先級(jí)不能屏蔽高優(yōu)先級(jí)。還有中斷嵌套高優(yōu)先級(jí)的中斷可以打斷正在執(zhí)行的低優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)程序。有個(gè)容易混淆的點(diǎn)中斷和異常不是一回事。中斷是外部事件引起的比如鍵盤按下異常是內(nèi)部事件引起的比如除零、缺頁?？荚囉袝r(shí)候會(huì)用內(nèi)部中斷和外部中斷來區(qū)分內(nèi)部中斷就是異常。6. 備考實(shí)操我是怎么把這一章從弱項(xiàng)變成送分題的6.1 建立知識(shí)框架比刷題更重要我一開始備考的時(shí)候上來就刷題結(jié)果發(fā)現(xiàn)硬件部分的題目錯(cuò)得五花八門有時(shí)候是公式記混了有時(shí)候是概念理解偏了有時(shí)候是題目里的某個(gè)詞沒注意到。后來我停下來花了一個(gè)下午把這一章的框架畫了一遍數(shù)據(jù)表示、存儲(chǔ)體系、指令系統(tǒng)、流水線、總線、I/O六大塊每塊下面列出核心概念和公式。畫完之后再刷題正確率明顯上來了。框架的作用是讓你知道這道題考的是哪一塊然后從那一塊的知識(shí)庫里調(diào)取對(duì)應(yīng)的公式和方法。沒有框架的話每道題都是新的刷再多也形不成積累。6.2 計(jì)算題要?jiǎng)邮炙悴荒苤豢从布糠值挠?jì)算題看答案覺得哦原來是這樣和自己動(dòng)手算一遍完全是兩回事。我踩過的坑是看答案的時(shí)候覺得流水線周期取最大值這個(gè)規(guī)則很簡(jiǎn)單結(jié)果做題的時(shí)候遇到各階段時(shí)間有零有整的一緊張就取錯(cuò)了。我的建議是每類計(jì)算題至少動(dòng)手算十道算到不用想就能寫出公式為止。尤其是Cache命中率、流水線執(zhí)行時(shí)間、總線帶寬、主存容量這四類幾乎每年都考必須練到條件反射。6.3 易混淆概念要對(duì)比著記硬件部分有很多成對(duì)出現(xiàn)的概念單獨(dú)記很容易混對(duì)比著記就清楚多了。比如原碼 vs 補(bǔ)碼原碼直觀但有正負(fù)零補(bǔ)碼統(tǒng)一但需要轉(zhuǎn)換Cache vs 內(nèi)存Cache快但小且貴內(nèi)存慢但大且便宜中斷 vs DMA中斷每次傳輸都要CPU參與DMA只在開始和結(jié)束參與流水線周期 vs 指令執(zhí)行時(shí)間周期取最慢階段執(zhí)行時(shí)間是各階段之和我當(dāng)時(shí)的做法是拿一張A4紙左邊寫概念A(yù)右邊寫概念B中間寫區(qū)別?？记胺槐楸确滩目斓枚唷?.4 考試當(dāng)天的做題策略硬件部分的題目在試卷里通常是前幾道這時(shí)候腦子最清醒適合做計(jì)算題。我的策略是先掃一遍所有硬件題把純概念題比如以下哪種尋址方式需要訪問內(nèi)存兩次快速做掉把計(jì)算題標(biāo)記出來等概念題做完再集中算。這樣避免在一道計(jì)算題上卡太久影響后面的節(jié)奏。還有一點(diǎn)硬件部分的題目如果算了兩次答案不一樣不要慌回去檢查單位有沒有統(tǒng)一ns和μs、MB和Mb檢查公式有沒有用錯(cuò)命中率有沒有搞反檢查題目有沒有額外的條件比如不考慮Cache訪問時(shí)間。大部分錯(cuò)誤都是這些細(xì)節(jié)引起的。6.5 這一章值得投入多少時(shí)間我的判斷是硬件基礎(chǔ)這一章投入總備考時(shí)間的10%到15%比較合理。它不像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)那樣需要大量練習(xí)也不像操作系統(tǒng)那樣概念繁多它的知識(shí)點(diǎn)是有限的、封閉的把框架建起來、把公式練熟、把易混點(diǎn)對(duì)比清楚就能拿到大部分分?jǐn)?shù)。如果你時(shí)間緊張優(yōu)先保證這幾塊補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換、Cache命中率計(jì)算、流水線執(zhí)行時(shí)間計(jì)算、總線帶寬計(jì)算。這四塊幾乎每年都考而且題型固定投入產(chǎn)出比最高。海明碼、CRC、中斷嵌套這些考的頻率稍低但概念不難考前過一遍就行。最后說一個(gè)我自己的體會(huì)硬件基礎(chǔ)這一章學(xué)的時(shí)候覺得枯燥但學(xué)完之后回頭看它其實(shí)是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)師知識(shí)體系里最實(shí)在的一塊。你寫的每一行代碼最終都要變成指令在CPU里跑都要經(jīng)過Cache和內(nèi)存都要通過總線跟外設(shè)交互。理解了這些你對(duì)程序性能的理解會(huì)完全不一樣——你知道為什么數(shù)組遍歷比鏈表快空間局部性好Cache命中率高你知道為什么減少函數(shù)調(diào)用能提速減少流水線沖突你知道為什么批量讀寫比逐條讀寫快DMA vs 中斷。這些直覺是光看軟件層面的書得不到的。