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计算机组成原理

本文转载自  查看原文  2021-09-03 17:21  325    深入理解计算机系统/ 计算机组成原理

计算机组成原理

计算机是如何工作的

| 认识计算机中的基本部件 | PC:程序计数器； |
| ---- | ---- | ---- |
| CPU:中央处理器; | MAR:存储器地址寄存器 |
|ALU:算术逻辑部件;|IR:指令寄存器;|
|MDR:存储器数据寄存器|GPRs:通用寄存器组（由若干通用寄存器组成，早期就是累加器)|

image-20210903165557351

CPU:中央处理器; PC:程序计数器;

MAR:存储器地址寄存器 ALU:算术逻辑部件;

IR:指令寄存器; MDR:存储器数据寄存器

GPRs:通用寄存器组（由若干通用寄存器组成，早期就是累加器)

  • 做菜之前

    原材料，菜谱，架子，编号

    原材料和菜谱都按照顺序放在架子上并且有一定的编号

    原材料（数据）和菜谱（指令）都按照顺序放在架子（储存器）上并且有一定的编号（储存单元地址）

    （菜谱的内容是包含原材料的位置，做法，做好了放在哪里）

  • 开始做菜

    第一步：从五号架子上面去菜谱（CPU 根据PC取指令）

    第二步：查看菜谱（指令译码）

    第三步：根据菜谱从何处取出原材料（根据指令取出操作数）

    第四步：洗切炒具体操作（计算机在ALU上面进行具体操作，与，或，非）

    第五步：装盘或者是直接送桌（回写出结果）

    第六步：算出下一个菜谱所在的架子号6 = 5+1（修改PC的值）

  • 程序在执行之前

    数据和指令事先存放在存储器中，每条指令和每个数据都有地址，指令按序存放，指令由OP、ADDR（OP是操作字段，ADDR是地址字段）字段组成，程序起始地址置PC（原材料和菜谱都放在厨房外的架子上，每个架子有编号。妈妈从第5个架上指定菜谱开始做)

  • 开始执行程序

    第一步∶根据PC取指令（从5号架上取菜谱)

    第二步∶指令译码(看菜谱)

    第三步:取操作数（从架上或盘中取原材料)

    第四步:指令执行（洗、切、炒等具体操作)

    第五步:回写结果（装盘或直接送桌)

    第六步:修改PC的值（算出下一菜谱所在架子号6=5+1)

    继续执行下一条指令（继续做下一道菜)

计算机的指令中需要给出的信息

操作性质（操作码）

源操作数1，（源操作数2）

目的操作数地址

原码和移码的表示

  • 什么是移码表示？

    ​ 将每一个数值将上一个偏置常数（Excess/ bias）

    ​ 通常，当编码位数为n的时候，bias取image-20210903170900668

  • 机器里面的移码表示也就是编码表示

  • 为什么使用移码来表示指数（阶码）？

    • 便于浮点数加减运算时对阶的操作（比较大小）

    • 小栗子：image-20210903165622496

      取的运算的位数为3，所以移码是2的3-1次方等于4

运算器的模运算

补码的定义

image-20210903165648483

X是真值，[x]补是机器数

在32位机器中：

int中机器数的位数是32位

char中的机器数的位数是8位

short的机器鼠的位数是16位

负数的补码应该怎么求：各位取反，末尾加一

image-20210903165712107

如何求补码的真值

image-20210903165723173

简便的算法：

​ 符号为0，则为正数，数值部分相同

​ 符号为1，则为负数，各位取反末尾加一；数值从右向左遇到第一个1不变，然后各位取反

C语言里面的数值表示

C语言里面的整数

  • 无符号数和带符号数运算的时候都按照无符号数来运算
  • 在c90和c99里面的符号数 和 无符号数的判断界限不一样，因此同一可能会产生不同的结果。

C语言里面的浮点数(IEEE754标准)

实数分为：单精度，双精度，扩展双精度 float double longdouble

C语言里面的科学计数法与浮点数

使用科学计数发，但是只有一种的是规格化的表示。

对于十进制的小数，可以使用科学计数法，同样的，对于二进制的小数也可以使用科学计数法：

image-20210903165740297

对于浮点数的表示方法：

image-20210903165800109

由于规格化表示的原因，小数点之后的数字第一个总是1，所以省去这一位的表达，所以实现了使用23位表示24位的方法

  • s是符号位
  • E是阶码，通常使用移码（加上image-20210903165824242 )来表示
  • 尾数规格化显示的定义是第一个数字为1，所以舍弃不予以显示。
32位浮点表示规格化数的表示范围。详见csapp

非数值数据的编码表示

  • 西文字符的编码表示：

    需要掌握基本的字母和数字的ASCII码表

  • 汉字的编码表示：

    • 输入码：对汉子用相应的按键进行编码表示
    • 内码：用于在系统中进行存储，查找，传送等处理
    • 字模点阵或轮廓描述表述汉字字模点阵或轮廓，用于显示/打印

数据宽度和存储量位的单位

  • 比特：（bit）位，是计算机处理，储存，运输的最小单位。

  • 字节：二进制信息最基本的计量单位是”字节“Byte

    • 一个二进制的Byte是8位
    • 现代计算机中的储存器都是按照字节编址
    • 字节是最小的可寻址单位
    • 如果字节排列，LSB是最低有效字节 Msb是最高的有效字节

  • 字和字长：经常使用“字”作为单位

    • 字和字长的概念不同。字是结构决定的
    • 字长是数据通路的宽度

  • 容量通常使用的单位有

    • KB，MB，GB，TB

  • 通信中的带宽使用的单位有

    • kb/s 1kbs = 1000bps
    • Mb/s 1Mbps = 1000kbps
    • Gb/s 1Gbs = 1000Mbps
    • Tb/s 1Tbs = 1000Gbps

    如果把b换成B表示的是字节而不是比特（位）

高级语言支持不同的类型和不同的长度的数据，而且相同类型的数据采用的宽度也不尽相同。

数据储存和排列的顺序

  • 存储的字节数：一个数据可能会占用多少个存储单元

  • 地址存放：变量的地址是最大地址还是最小地址

  • 大端/小端存放：多个字节在存储单元中存放的顺序如何

    • 小端方式：LSB 所在的地址是数据的最小地址

    • 大端方式：MSB所在的地址是数据的最小地址

      例如：一个int数据，占用了32位4的字节，把这四个字节分别记作100，101，102，103

      在同一个系统之中，大端和小端是一定的，但是在网络交互通信的时候，就需要做相应的更改。

逻辑“与或非” 和 电路之间的关系

或电路：image-20210903165840368

与电路：image-20210903165911077

非电路：image-20210903165922536

通过与或非的电路可以构建多有的电路逻辑

异或电路：image-20210903165935772

异或电路就可以使用这三种电路来进行构建

异或电路的简单表达方式image-20210903165948845

根据电路是否有存储的功能可以分为两种

  • 组合逻辑电路：没有存储功能，其输出仅依赖与当前输出
  • 时序逻辑电路：具有存储功能，其输出不仅依赖与当前输出，还依赖于存储单元的当前状态
可以利用基本的逻辑门电路构成一些具有特定功能的组合逻辑部件
  • 译码器，编码器，多路选择器，加法器
实现一个功能部件的过程
  1. 得出真值表
  2. 通过真值表来确定逻辑表达式
  3. 根据逻辑表达式实现逻辑电路
加法器的实现
n位加法器可以通过n个加法器实现。
计算机的比较运算和减法运算

计算机的比较运算是通过减法运算组成的，但是计算机的所有运算都可以通过加法运算来构成。

带标志的加法器。

n位整数的加、减运算器

  • 在一个int运算里面，机器数表示都是补码运算

  • 补码的运算公式：image-20210903170005346

    • 因此在机器里面int的加减运算就可以表示为image-20210903170024966

      image-20210903170041838

    • 各位取反，末尾加一：image-20210903170053490

  • 在加减运算的公式下面可以得到如下结论

    • 利用带标志的加法运算器，可以构造出整数加减的运算器（带不带符号都可以）
    • image-20210903170111460
    • 为什么sub为1的时候做减法-------------------------------->各位取反，末尾加一
    • sub作为2路控制器的同时，担任了加法器cin进位，十分巧妙。

ALU的基础就是n位正数的加减运算

  • 核心电路：带标志的加法器
  • 基本的算术运算与逻辑运算
    • 加减运算（带符号，不带符号）
    • 以，或，非，异或等逻辑电路
  • 多种操作，但是如何判断结果的操作方法-—–>操作控制端
  • ALUop是操作控制端，用来决定ALU所执行的处理功能，他的位数K 军定了操作的种类，例如k为3的时候，就可以有最多2^3 = 8中操作

计算机是实现高级语言程序中的运算

  • 将表达式编译为指令序列

  • 计算机直接执行指令来完成运算

    • 控制器对指令进行姨妈，产生控制信号送到运算电路

  • 操作数在运算电路中运算

    数据的运算都是由逻辑门运算产生的。

高级程序运算-----》指令运算-----》电路运算

  • 两次转换----电路到指令---指令到电路。

C语言中涉及到的运算

  • 算术运算

    • 加减乘除，浮点运算，有无符号的运算

  • 按位运算

    • 按位与， 按位或，按位取反，按位异或，吸取操作。
    • 吸取操作image-20210903170126521

  • 移位运算

    • 扩大或缩小2，4，8…倍数。
    • 逻辑移位
      • 移位溢出：高位溢出的是1，则左移溢出
      • 左移：高位移出，低位补零
      • 右移：低位移出，高位补零
    • 算术移位
      • 移位溢出：移出前和移出后的符号为是否相等
      • 左移：高位移出，低位补零
      • 右移：低位移出，高位补零,可能会发生有效数据丢失。

  • 逻辑运算

    • 用于关系表达式的运算，例如 if，and ，else等

  • 位扩展和位截断运算

    • 类型转换的时候使用到的，没有默认的运算符。

    • 例如在类型转换的时候，长的数据类型转化成短的数据类型是位截断运算，短的转为长的是位扩展运算

      • 扩展运算：有符号数扩展符号位，无符号数扩展0

      • 截断运算：截断前面多余的位数。

C语言中加减运算器的实现

  • 重要认识1：计算器中所有的运算电路的实现核心

  • 重要认识2：加法器不知道运算的带符号数还是无符号数

  • 重要认识3：加法器不喷段错，总是去低n位做结果，并产生标志信息

    加法运算器的具体实现image-20210903170136177

    标志寄存器的标志信息

  • ZF零标志：如SUM 为0的时候，ZF为1

  • OF溢出标志：若两个加数同号但是SUM不同号则1；次高位进位和最高位进位进行异或

  • SF：表示sum的符号

  • CF：表示借位或是进位。

做减法以比较大小，规则：

Unsigned：CF=0时，大于

Signed：OF=SF时，大于

C语言中乘运算

如何判断乘法运算是否溢出

  • 高级语言里面，程序员直接使用（！x|x*y/x == y）判断即可

  • 带符号运算：如果高位的数字和低n位的最高位相同的时候，没有发生溢出

  • 无符号运算：如果高n位全为0，那么没有发生溢出。

因此带符号乘和无符号乘是使用不同的指令进行的。

但是带符号加和带符号减是相同的指令进行的

  • 证书的乘法运算时间 大于 整数的加法和移位运算时间长，因此一次乘法运算可以分解为移位运算和加运算、

除数的除运算

”朝零舍入“ 7/2 = 3 -7/3 = -3

a/-1和a/b,b=-1不一样，前者可以被优化为取负运算。

  • 取负指令的运算比较法咋，不能通过流水线的方式实现，一次处罚的运算时间大致需要30个时间钟
  • 不能乘除的情况
    • 注意带符号数的运算方式，因为带符号数的运算需要先加上一个偏移量，然后在进行截断
    • 注意：k是运算时的右移位数image-20210903170157233

C语言浮点数的运算

  • 加减运算

    • 再阶码的运算当中要“对阶”，也就是低阶向高阶转化

    • 规格化：当位数高位为0的时候有进位，需要左规MSB为1

      ​ 当位数高位有进位的时候，需要右规直到MSB为1

  • 乘除运算

  • 阶码上溢

  • 阶码下溢

  • 为了防止数据的溢出，硬件会设置一些附加位以调高精度。IEEE754规定至少有两位，一位是保护位，一位是舍入位。

C语言的舍入方式

  1. 就近舍入：舍入为最近可表示的数
    • 01：舍弃
    • 11：进位
    • 10：强迫结果为正数
  2. 正向舍入
浮点数运算是发生的错误
  • 除数为0的时候，得出的结果是无穷大，阶码位全是1，位数全为0符号位为0或1
  • 浮点数的结合率是不符合的

机器极指令

  • 机器指令和汇编指令是一一对应的，都是机器级指令。

  • 机器指令是一个01序列，由若干个字段组成。

    image-20210903170206084

  • 汇编指令是机器指令的符号表示（有不同的格式）

  • 回顾一下GCC套件的执行顺序

    • == 预处理、编译、汇编、链接 ==

    image-20210903170215773

    • 使用objdump反汇编代码的时候，机器数的地址不是实际的地址，是从0开始的地址。

    • 他的长度是使用十六进制进行的

  • 回顾一下ISA（指令集体系结构）

    • ISA 是计算机中硬件的抽象，是一种软件和硬件之间的接口。

    image-20210903170224053

    所有指令的格式，功能

    通用寄存器的个数，位数，编号和功能

    储存地址空间大小，编址方式，大、小端

    指令寻址方式

Intel的体系结构概述

  1. 拥有八个通用寄存器GPRs和一个标志寄存器（通用寄存器都是成组出现的）
  2. 拥有一个PC 为EIP的计时器
  3. 可寻址的空间是4G 232 个字节，其他的指令都是可变长的

  • IA-32的寄存器的组织概览

    image-20210903170450406

  • 各个位数寄存器编号0~8

  • 3个控制标志

  • df if tf

    • 方向标志（自动变址方向）
    • 中断允许标志（仅对外不可屏蔽的中断有效）
    • 陷阱标志（是否单步跟踪状态）

IA32的寻址方式

  • 寻址方式：

    • 如何根据指令得到操作数的地址或操作数

  • 操作数所在的位置

    • 指令中 ：立即寻址
    • 寄存器中：寄存器寻址
    • 存储单元中：其它寻址方式

  • 储存器的操作数的寻址方式分为两种

    • 实地址模式（用不到）

    • 保护模式（掌握）

      • 加电以后采用虚拟储存管理，多任务情况下隔离保护

      • 寻址空间为 232B,32位线性地址

      • 寻址方式十分复杂，这与寄存器的数据结构有关系。

        image-20210903170532319

    储存器的寻址方式（SIB）

    按照一个C语言的变量声明说明声明方式：

    image-20210903170541417

    ​

    ​ windows里面double分配的地址必须是8的倍数。所以c以后空了一行多。

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操作指令 操作长度， 基质（基址寄存器（%ebp） + 变址寄存器（%esi）+ 比例因子 ），移动目标

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​

​ 一个地址就是一个字节byte就是四个比特（b）就是4位。

IA-32常用的指令类型

​ 例如数组a[i] [j]的寻址方式是需要基址寄存器和变址寄存器和比例因子。

机器指令格式的概览：

image-20210903170650612

其他的指令类型太过于复杂，不做记忆要求。

  1. 传送常用运算常用指令
  2. 定点算术运算指令

ALU里面都有什么东西

  • 补码运算
    • 实现带符号运算
    • 实现无符号运算
  • 没有乘法运算器（可以使用加法运算器实现）
  • 没有除法运算器
  • 逻辑门的运算
IA-32 运算指令
  1. 加法运算指令
  2. 乘法运算指令
  3. 按位运算指令
  4. 控制转移指令

……

C语言函数过程调用的机器级表示

过程调用的执行步骤：
  1. 调用函数将入口参数（实参）放到被调用函数能访问到的地方
  2. 调用函数预先保存返回地址（压栈），单后将控制转移到被调用函数
  3. 被调用函数保存调用函数的现场（main函数通用寄存器的内容？？），并且为自己的非静态局部变量分配空间
  4. 执行被调用函数
  5. 被调用函数恢复调用函数的现场，释放局部变量空间
  6. 取出返回地址，控制权转移给调用函数。

为什么要保存现场？

因为所有的过程都共享用一套通用寄存器。

关于寄存器使用的约定

  • 调用者P保存寄存器 ： EAX,EDX,ECX

    Q可以直接使用这三个寄存器

    若P在从Q返回后还要用的话，P应在转到Q之前先保存，并凑单从Q返回后先回复他们的值再使用。

  • 被调用者Q保存寄存器：EBX ESI ,EDI

    Q必须先将它们的只保存到栈中再使用他们，并在返回P之前恢复他们的值

  • EBP 和ESP分别是 帧指针寄存器和栈指针寄存器，分别用来指向当前栈帧的底部和顶部。

为了减少准备和结束阶段的开销，每个过程应先适用哪些寄存器？ 调用者的寄存器


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