Android-程序的执行过程

计算机系统基础内容，参考自袁春风的计算机系统基础第二版第五章内容。

程序的执行过程

• 基础知识
  • 程序由多条指令组成，且这些指令是连续存储的
  • 程序的执行就是一条一条指令被执行的过程
    • 指令执行顺序
      • 正常情况下是按存放顺序依次执行
      • 转移指令可以改变指令执行顺序
    • 程序执行流的控制(即指令如何一个一个执行下去的)
      • 通过程序计数器PC给出执行指令的存储地址，使其执行指令，通过改变PC的值来控制执行顺序
    • 指令周期
      • CPU取出并执行一条指令的时钟周期数，即CPI
      • 一条指令执行时间
        • T× CPI×1，T是时钟周期，1表示一条指令
  • CPU主频
    • 即每秒有多少时钟周期
      • 国际单位是hz，常用单位是GHZ
      • 一般1GHZ=10³MHZ
      • 1MHZ=10^6HZ
• cpu执行一条指令的过程
  • 过程
    • 取指令
    • pc+"1"
    • 指令译码
    • 操作数地址计算
    • 取操作数
    • 进行算术运算或者逻辑运算
    • 存放结果
  • 解释说明
    • pc+"1"如果是定长指令，一般是在译码前做，如果是变长指令是在译码后做
    • 取指令一定一开始做
    • 译码一定在指令执行前做
  • 异常处理
    • 上面每一步都会进行异常检测，如果发生异常就会自动切换到异常处理程序
  • 指令执行结束后会查询中断请求，如果有就转中断处理
  • 注意
    • 在IA-32中PC称为EIP
• ALU
  • 部件组成
    • 补码加/减器(必须有)
      • 进行无符号或者有符号数的加减法运算
    • 各种逻辑运算部件
    • 可以没有的部件
      • 乘法器
      • 除法器
      • 可以没有的原因
        • 可以通过移位加上加减的方式实现(移位运算属于逻辑运算)
• 流水线方式下指令的执行
  • 串行方式和流水线方式的解释
    • 串行方式
      • 即一队人全部做完这一部分后再开始做下一部分
    • 流水线方式
      • 每个人做完自己的事情后就可以做下一件事情，不用等其他人做完再开始做
    • 流水线方式不一定能缩短一条指令的执行时间
  • 流水线数据通路中指令的执行
  • 指令集的设计与分类
    • 规整，简单，一致等特征的指令集有利于流水线执行
      • 长度尽量一致
      • 格式少，且源寄存器位置相同
      • loa/store指令才能访问存储器
      • 内存中对齐存放
    • 分类
      • CIS C
        • 即复杂指令集计算机
          • 特点
            • 指令系统复杂
            • 指令周期长
            • 各种指令都能访问存储器
            • 采用微程序控制
            • 难以进行编译优化来生成高效目标代码
      • RISC
        • 即精简指令集计算机
          • 特点
            • 指令少
            • 简化的指令系统
            • 以RR方式工作（即除Load和Store指令可以访存外，其他只能访问寄存器）
            • 采用大量通用寄存器，以减少访存次数
            • 采用硬连线路控制器，不用或少用微程序控制
            • 实现细节对机器级程序可见
        • 如MIPS就是典型的RISC处理器
        • 而X86有上述两种风格
  • 影响流水线的因素（了解)
  • 非流水线和流水线下指令的执行时间
    • 非流水线指令执行时间直接加
    • 流水线指令执行时间
      • 流水线周期
        • 选取一条指令里执行时间最长的那一段过程为流水线周期（一条指令可以分为很多段，即流水段，注意，每个流水段应该包括一个组合逻辑和一个寄存器（即时序逻辑）)
        • 由流水线的特点可知，除了第一条指令执行时间是完整的，后面的指令是在第一条还未结束时就开始的
        • 把每一段过程时间都统一为流水线周期，这样就能更好的计算，同时也更好的利用流水线的特点
      • 4级指令指一条指令分成4段
      • 所以流水线指令执行时间为（针对指令过程数相同）
        • 第一条指令的执行时间+流水线周期×剩下指令数
        • 第一条指令时间为
          • 流水线周期×一条指令的段数（即有几段）
  • 流水线的性能指标
    • 吞吐率
      • 即指令数与流水线指令执行时间相除，即单位时间处理多少条指令
    • 加速比
    • 效率
• 计算机组成部分
  • CPU
    • 数据通路(它是指令的执行部件)
      • 定义
        • 指令执行过程中，数据通过的路径，包括路径中的部件
      • 基本结构
        • 原件组成
          • 组合逻辑原件(操作元件)
            • 有加法器，译码器，多路选择器，算术逻辑部件等都是操作元件
          • 时序逻辑原件(状态元件或存储元件，一般称存储元件)
            • 特点
              • 具有存储功能，在时钟控制下，输入被写到电路中，直到下一个时钟到达
              • 输入端状态由时钟决定什么时候被写入，输出端状态随时可以被读出
            • 定时方式(规定信号什么时候写入状态元件或什么时候从状态元件读出)
              • 边沿触发方式
                • 状态单元中的值只在时钟边沿改变，每个时钟改变一次
                • 上升沿触发
                  • 即时钟在正跳变时进行读和写
                • 下降沿触发
                  • 在时钟负跳变时进行读和写
            • 举例
              • 寄存器组就是典型的状态元件
        • 原件间的连接方式
          • 总线连接方式
          • 分散连接方式
      • 如何构成数据通路
        • 由操作元件和存储元件通过总线方式或者分散方式连接而成
      • 功能
        • 进行数据的存储，处理，传送
      • 总线式数据通路
        • 单总线数据通路
          • 一个时钟周期只能传送一个数据，因为只有一条数据传送线路
        • 三总线数据通路
          • 单总线数据通路一次只能传一个数据，所以面对多个数据就没有办法，所以就有暂停器这个东西，注意，操作元件是不能存储数据的
      • 单周期数据通路
        • 解释
          • 即所有操作需要在一个时钟周期内完成
    • 控制器(能对执行部件发出控制信号，是指令的控住部件)
      • 功能
        • 对指令译码，生成指令对应的控制信号，控制数据通路的动作
  • 存储器
  • 输入
  • 输出