計算機組成原理

計算機組成原理

計算機是如何工作的

| 認識計算機中的基本部件 | PC:程序計數器； |
| ---- | ---- | ---- |
| CPU:中央處理器; | MAR:存儲器地址寄存器 |
|ALU:算術邏輯部件;|IR:指令寄存器;|
|MDR:存儲器數據寄存器|GPRs:通用寄存器組（由若干通用寄存器組成，早期就是累加器)|

CPU:中央處理器; PC:程序計數器;

MAR:存儲器地址寄存器 ALU:算術邏輯部件;

IR:指令寄存器; MDR:存儲器數據寄存器

GPRs:通用寄存器組（由若干通用寄存器組成，早期就是累加器)

• 做菜之前

  原材料，菜譜，架子，編號

  原材料和菜譜都按照順序放在架子上並且有一定的編號

  原材料（數據）和菜譜（指令）都按照順序放在架子（儲存器）上並且有一定的編號（儲存單元地址）

  （菜譜的內容是包含原材料的位置，做法，做好了放在哪里）

• 開始做菜

  第一步：從五號架子上面去菜譜（CPU 根據PC取指令）

  第二步：查看菜譜（指令譯碼）

  第三步：根據菜譜從何處取出原材料（根據指令取出操作數）

  第四步：洗切炒具體操作（計算機在ALU上面進行具體操作，與，或，非）

  第五步：裝盤或者是直接送桌（回寫出結果）

  第六步：算出下一個菜譜所在的架子號6 = 5+1（修改PC的值）

• 程序在執行之前

  數據和指令事先存放在存儲器中，每條指令和每個數據都有地址，指令按序存放，指令由OP、ADDR（OP是操作字段，ADDR是地址字段）字段組成，程序起始地址置PC（原材料和菜譜都放在廚房外的架子上，每個架子有編號。媽媽從第5個架上指定菜譜開始做)

• 開始執行程序

  第一步∶根據PC取指令（從5號架上取菜譜)

  第二步∶指令譯碼(看菜譜)

  第三步:取操作數（從架上或盤中取原材料)

  第四步:指令執行（洗、切、炒等具體操作)

  第五步:回寫結果（裝盤或直接送桌)

  第六步:修改PC的值（算出下一菜譜所在架子號6=5+1)

  繼續執行下一條指令（繼續做下一道菜)

計算機的指令中需要給出的信息

操作性質（操作碼）

源操作數1，（源操作數2）

目的操作數地址

原碼和移碼的表示

• 什么是移碼表示？

  ​ 將每一個數值將上一個偏置常數（Excess/ bias）

  ​ 通常，當編碼位數為n的時候，bias取

• 機器里面的移碼表示也就是編碼表示

• 為什么使用移碼來表示指數（階碼）？

  • 便於浮點數加減運算時對階的操作（比較大小）

  • 小栗子：

    取的運算的位數為3，所以移碼是2的3-1次方等於4

運算器的模運算

補碼的定義

X是真值，[x]補是機器數

在32位機器中：

int中機器數的位數是32位

char中的機器數的位數是8位

short的機器鼠的位數是16位

負數的補碼應該怎么求：各位取反，末尾加一

如何求補碼的真值

簡便的算法：

​ 符號為0，則為正數，數值部分相同

​ 符號為1，則為負數，各位取反末尾加一；數值從右向左遇到第一個1不變，然后各位取反

C語言里面的數值表示

C語言里面的整數

• 無符號數和帶符號數運算的時候都按照無符號數來運算
• 在c90和c99里面的符號數 和 無符號數的判斷界限不一樣，因此同一可能會產生不同的結果。

C語言里面的浮點數(IEEE754標准)

實數分為：單精度，雙精度，擴展雙精度 float double longdouble

C語言里面的科學計數法與浮點數

使用科學計數發，但是只有一種的是規格化的表示。

對於十進制的小數，可以使用科學計數法，同樣的，對於二進制的小數也可以使用科學計數法：

對於浮點數的表示方法：

由於規格化表示的原因，小數點之后的數字第一個總是1，所以省去這一位的表達，所以實現了使用23位表示24位的方法

• s是符號位
• E是階碼，通常使用移碼（加上 )來表示
• 尾數規格化顯示的定義是第一個數字為1，所以舍棄不予以顯示。

32位浮點表示規格化數的表示范圍。詳見csapp

非數值數據的編碼表示

• 西文字符的編碼表示：

  需要掌握基本的字母和數字的ASCII碼表

• 漢字的編碼表示：

  • 輸入碼：對漢子用相應的按鍵進行編碼表示
  • 內碼：用於在系統中進行存儲，查找，傳送等處理
  • 字模點陣或輪廓描述表述漢字字模點陣或輪廓，用於顯示/打印

數據寬度和存儲量位的單位

• 比特：（bit）位，是計算機處理，儲存，運輸的最小單位。

• 字節：二進制信息最基本的計量單位是”字節“Byte

  • 一個二進制的Byte是8位
  • 現代計算機中的儲存器都是按照字節編址
  • 字節是最小的可尋址單位
  • 如果字節排列，LSB是最低有效字節 Msb是最高的有效字節

• 字和字長：經常使用“字”作為單位

  • 字和字長的概念不同。字是結構決定的
  • 字長是數據通路的寬度

• 容量通常使用的單位有

  • KB，MB，GB，TB

• 通信中的帶寬使用的單位有

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

  如果把b換成B表示的是字節而不是比特（位）

高級語言支持不同的類型和不同的長度的數據，而且相同類型的數據采用的寬度也不盡相同。

數據儲存和排列的順序

• 存儲的字節數：一個數據可能會占用多少個存儲單元

• 地址存放：變量的地址是最大地址還是最小地址

• 大端/小端存放：多個字節在存儲單元中存放的順序如何

  • 小端方式：LSB 所在的地址是數據的最小地址

  • 大端方式：MSB所在的地址是數據的最小地址

    例如：一個int數據，占用了32位4的字節，把這四個字節分別記作100，101，102，103

    在同一個系統之中，大端和小端是一定的，但是在網絡交互通信的時候，就需要做相應的更改。

邏輯“與或非” 和 電路之間的關系

或電路：

與電路：

非電路：

通過與或非的電路可以構建多有的電路邏輯

異或電路：

異或電路就可以使用這三種電路來進行構建

異或電路的簡單表達方式

根據電路是否有存儲的功能可以分為兩種

• 組合邏輯電路：沒有存儲功能，其輸出僅依賴與當前輸出
• 時序邏輯電路：具有存儲功能，其輸出不僅依賴與當前輸出，還依賴於存儲單元的當前狀態

可以利用基本的邏輯門電路構成一些具有特定功能的組合邏輯部件

• 譯碼器，編碼器，多路選擇器，加法器

實現一個功能部件的過程

1. 得出真值表
2. 通過真值表來確定邏輯表達式
3. 根據邏輯表達式實現邏輯電路

加法器的實現

n位加法器可以通過n個加法器實現。

計算機的比較運算和減法運算

計算機的比較運算是通過減法運算組成的，但是計算機的所有運算都可以通過加法運算來構成。

帶標志的加法器。

n位整數的加、減運算器

• 在一個int運算里面，機器數表示都是補碼運算

• 補碼的運算公式：

  • 因此在機器里面int的加減運算就可以表示為

    

  • 各位取反，末尾加一：

• 在加減運算的公式下面可以得到如下結論

  • 利用帶標志的加法運算器，可以構造出整數加減的運算器（帶不帶符號都可以）
  • 
  • 為什么sub為1的時候做減法-------------------------------->各位取反，末尾加一
  • sub作為2路控制器的同時，擔任了加法器cin進位，十分巧妙。

ALU的基礎就是n位正數的加減運算

• 核心電路：帶標志的加法器
• 基本的算術運算與邏輯運算
  • 加減運算（帶符號，不帶符號）
  • 以，或，非，異或等邏輯電路
• 多種操作，但是如何判斷結果的操作方法-—–>操作控制端
• ALUop是操作控制端，用來決定ALU所執行的處理功能，他的位數K 軍定了操作的種類，例如k為3的時候，就可以有最多2^3 = 8中操作

計算機是實現高級語言程序中的運算

• 將表達式編譯為指令序列

• 計算機直接執行指令來完成運算

  • 控制器對指令進行姨媽，產生控制信號送到運算電路

• 操作數在運算電路中運算

  數據的運算都是由邏輯門運算產生的。

高級程序運算-----》指令運算-----》電路運算

• 兩次轉換----電路到指令---指令到電路。

C語言中涉及到的運算

• 算術運算

  • 加減乘除，浮點運算，有無符號的運算

• 按位運算

  • 按位與， 按位或，按位取反，按位異或，吸取操作。
  • 吸取操作

• 移位運算

  • 擴大或縮小2，4，8…倍數。
  • 邏輯移位
    • 移位溢出：高位溢出的是1，則左移溢出
    • 左移：高位移出，低位補零
    • 右移：低位移出，高位補零
  • 算術移位
    • 移位溢出：移出前和移出后的符號為是否相等
    • 左移：高位移出，低位補零
    • 右移：低位移出，高位補零,可能會發生有效數據丟失。

• 邏輯運算

  • 用於關系表達式的運算，例如 if，and ，else等

• 位擴展和位截斷運算

  • 類型轉換的時候使用到的，沒有默認的運算符。

  • 例如在類型轉換的時候，長的數據類型轉化成短的數據類型是位截斷運算，短的轉為長的是位擴展運算

    • 擴展運算：有符號數擴展符號位，無符號數擴展0

    • 截斷運算：截斷前面多余的位數。

C語言中加減運算器的實現

• 重要認識1：計算器中所有的運算電路的實現核心

• 重要認識2：加法器不知道運算的帶符號數還是無符號數

• 重要認識3：加法器不噴段錯，總是去低n位做結果，並產生標志信息

  加法運算器的具體實現

  標志寄存器的標志信息

• ZF零標志：如SUM 為0的時候，ZF為1

• OF溢出標志：若兩個加數同號但是SUM不同號則1；次高位進位和最高位進位進行異或

• SF：表示sum的符號

• CF：表示借位或是進位。

做減法以比較大小，規則：

Unsigned：CF=0時，大於

Signed：OF=SF時，大於

C語言中乘運算

如何判斷乘法運算是否溢出

• 高級語言里面，程序員直接使用（！x|x*y/x == y）判斷即可

• 帶符號運算：如果高位的數字和低n位的最高位相同的時候，沒有發生溢出

• 無符號運算：如果高n位全為0，那么沒有發生溢出。

因此帶符號乘和無符號乘是使用不同的指令進行的。

但是帶符號加和帶符號減是相同的指令進行的

• 證書的乘法運算時間 大於 整數的加法和移位運算時間長，因此一次乘法運算可以分解為移位運算和加運算、

除數的除運算

”朝零舍入“ 7/2 = 3 -7/3 = -3

a/-1和a/b,b=-1不一樣，前者可以被優化為取負運算。

• 取負指令的運算比較法咋，不能通過流水線的方式實現，一次處罰的運算時間大致需要30個時間鍾
• 不能乘除的情況
  • 注意帶符號數的運算方式，因為帶符號數的運算需要先加上一個偏移量，然后在進行截斷
  • 注意：k是運算時的右移位數

C語言浮點數的運算

• 加減運算

  • 再階碼的運算當中要“對階”，也就是低階向高階轉化

  • 規格化：當位數高位為0的時候有進位，需要左規MSB為1

    ​ 當位數高位有進位的時候，需要右規直到MSB為1

• 乘除運算

• 階碼上溢

• 階碼下溢

• 為了防止數據的溢出，硬件會設置一些附加位以調高精度。IEEE754規定至少有兩位，一位是保護位，一位是舍入位。

C語言的舍入方式

1. 就近舍入：舍入為最近可表示的數
   • 01：舍棄
   • 11：進位
   • 10：強迫結果為正數
2. 正向舍入

浮點數運算是發生的錯誤

• 除數為0的時候，得出的結果是無窮大，階碼位全是1，位數全為0符號位為0或1
• 浮點數的結合率是不符合的

機器極指令

• 機器指令和匯編指令是一一對應的，都是機器級指令。

• 機器指令是一個01序列，由若干個字段組成。

  

• 匯編指令是機器指令的符號表示（有不同的格式）

• 回顧一下GCC套件的執行順序

  • == 預處理、編譯、匯編、鏈接 ==

  

  • 使用objdump反匯編代碼的時候，機器數的地址不是實際的地址，是從0開始的地址。

  • 他的長度是使用十六進制進行的

• 回顧一下ISA（指令集體系結構）

  • ISA 是計算機中硬件的抽象，是一種軟件和硬件之間的接口。

  

  所有指令的格式，功能

  通用寄存器的個數，位數，編號和功能

  儲存地址空間大小，編址方式，大、小端

  指令尋址方式

Intel的體系結構概述

1. 擁有八個通用寄存器GPRs和一個標志寄存器（通用寄存器都是成組出現的）
2. 擁有一個PC 為EIP的計時器
3. 可尋址的空間是4G 2³² 個字節，其他的指令都是可變長的

• IA-32的寄存器的組織概覽

  

• 各個位數寄存器編號0~8

• 3個控制標志

• df if tf

  • 方向標志（自動變址方向）
  • 中斷允許標志（僅對外不可屏蔽的中斷有效）
  • 陷阱標志（是否單步跟蹤狀態）

IA32的尋址方式

• 尋址方式：

  • 如何根據指令得到操作數的地址或操作數

• 操作數所在的位置

  • 指令中 ：立即尋址
  • 寄存器中：寄存器尋址
  • 存儲單元中：其它尋址方式

• 儲存器的操作數的尋址方式分為兩種

  • 實地址模式（用不到）

  • 保護模式（掌握）

    • 加電以后采用虛擬儲存管理，多任務情況下隔離保護

    • 尋址空間為 2³²B,32位線性地址

    • 尋址方式十分復雜，這與寄存器的數據結構有關系。

      

  儲存器的尋址方式（SIB）

  按照一個C語言的變量聲明說明聲明方式：

  

  ​

  ​ windows里面double分配的地址必須是8的倍數。所以c以后空了一行多。

操作指令 操作長度， 基質（基址寄存器（%ebp） + 變址寄存器（%esi）+ 比例因子 ），移動目標

​

​ 一個地址就是一個字節byte就是四個比特（b）就是4位。

IA-32常用的指令類型

​ 例如數組a[i] [j]的尋址方式是需要基址寄存器和變址寄存器和比例因子。

機器指令格式的概覽：

其他的指令類型太過於復雜，不做記憶要求。

1. 傳送常用運算常用指令
2. 定點算術運算指令

ALU里面都有什么東西

• 補碼運算
  • 實現帶符號運算
  • 實現無符號運算
• 沒有乘法運算器（可以使用加法運算器實現）
• 沒有除法運算器
• 邏輯門的運算

IA-32 運算指令

1. 加法運算指令
2. 乘法運算指令
3. 按位運算指令
4. 控制轉移指令

……

C語言函數過程調用的機器級表示

過程調用的執行步驟：

1. 調用函數將入口參數（實參）放到被調用函數能訪問到的地方
2. 調用函數預先保存返回地址（壓棧），單后將控制轉移到被調用函數
3. 被調用函數保存調用函數的現場（main函數通用寄存器的內容？？），並且為自己的非靜態局部變量分配空間
4. 執行被調用函數
5. 被調用函數恢復調用函數的現場，釋放局部變量空間
6. 取出返回地址，控制權轉移給調用函數。

為什么要保存現場？

因為所有的過程都共享用一套通用寄存器。

關於寄存器使用的約定

• 調用者P保存寄存器 ： EAX,EDX,ECX

  Q可以直接使用這三個寄存器

  若P在從Q返回后還要用的話，P應在轉到Q之前先保存，並湊單從Q返回后先回復他們的值再使用。

• 被調用者Q保存寄存器：EBX ESI ,EDI

  Q必須先將它們的只保存到棧中再使用他們，並在返回P之前恢復他們的值

• EBP 和ESP分別是 幀指針寄存器和棧指針寄存器，分別用來指向當前棧幀的底部和頂部。

為了減少准備和結束階段的開銷，每個過程應先適用哪些寄存器？ 調用者的寄存器