计算机系统基础

第一章

冯·诺依曼结构

基本思想：
1. 采用"存储程序"工作方式
2. 由运算器,控制器,存储器,输入设备,输出设备五个基本部件组成
3. 存储器不仅能放数据，还能放指令;形式上数据和指令没区别，但计算机能区分;控制器应能自动执行指令;运算器应能进行加减乘除四种基本算术运算，并且也能进行逻辑运算;操作人员通过输入/输出设备使用计算机
4. 计算机内部以二进制形式表示指令和数据;每条指令由操作码和地址码两部分组成，操作码指出操作类型，地址码指出操作数地址;由一串指令组成程序
“存储程序”工作方式：任何要计算机完成的工作都要先被编写成程序，然后将程序和原始数据送入主存并启动执行。一旦程序被启动，计算机应能在不需操作人员干预下，自动完成逐条取出指令和执行指令的任务。
基本结构（下图）
程序的执行过程
1. 根据 PC 取指令
2. 指令译码
3. 取操作数并执行
4. 回写结果
5. PC 增量

程序设计语言

机器级语言：都属于低级语言，每条指令都与特定的机器结构相关
1. 机器语言，机器代码：0/1 序列，每条指令都由 0/1 组成
2. 汇编语言：用英文符号和机器指令建立对应关系，源程序需要转换为机器语言程序才能被执行
高级程序设计语言，高级编程语言：面向算法设计，与具体的机器结构无关

翻译程序

汇编程序，汇编器：汇编语言源程序 → 机器语言目标程序
解释程序，解释器：源程序逐条翻译成机器指令并立即执行
编译程序，编译器：高级语言源程序 → 汇编 / 机器语言目标程序

掌握等价转换？

从源程序到可执行文件

编译阶段：编译程序（cc1）对预处理后的源程序进行编译，生成一个汇编语言源程序，以 .s 为拓展名。
汇编阶段：汇编程序（as）对汇编语言源程序进行汇编，生成一个可重定位目标文件，以 .o 为拓展名，是二进制文件，不可读。

计算机系统的层次结构

指令集体系结构（ISA）：是软件和硬件之间接口的一个完整定义，对指令系统的一种规范。内容包括：指令集、寄存器结构、存储空间和编址方式、数据存放方式、寻址方式、指令控制等。定义了一台计算机可以执行的所有指令的集合。

第二章

R 进制数和十进制数相互转换

→，按权展开；
←，整数部分“除基取余”倒着写，小数部分“乘基取整”。

浮点数的表示（IEEE 754 标准）

掌握真值和机器码的转换。

标准浮点数的表示：

(- 1)^{s} \times 1. f \times 2^{e - 127 (单精度), 或 e - 1023 (双精度)}

数据类型的宽度

C 声明	32 位 (typ)	64 位
char	1	1
short int	2	2
int	4	4
long int	4	8
char*	4	8
float	4	4
double	8	8

数据的基本运算

左移和右移

带符号使用算术移位，不考虑符号时使用逻辑移位。
溢出：左移可能产生溢出。对于无符号数，如果左移移出了 1，则溢出；对于有符号数，如果左移移出的位和新的符号位不同，则溢出。
截断：右移可能发生有效数据丢失。

整数加减运算

输出标志：（ $C$ 表示进位输出， $F$ 是运算结果）
1. ZF，零标志：ZF=1 表示结果所有位都为 0，否则为 1；
2. OF，溢出标志：同号相加符号位不变，否则溢出。即 $OF = C_{n} \oplus C_{n - 1}$ 。
3. SF，符号标志：即结果的符号位。
4. CF，进 / 借位标志：加法若结果有进位，则为 1；减法若不够减，则为 1。即 $CF = Sub \oplus C$ 。

常量的乘除运算

使用移位、加法和减法的运算代替乘法运算能省时钟周期。一次乘法运算需要 10 个左右时钟周期，一次除法运算需要 30 个或更多时钟周期。

掌握计算省下了多少时钟周期？

浮点数加减运算

对阶：阶小的数右移，隐含的 1 需要被移出，空出的位补 0。移出的位不丢，参与运算，保证精度。
尾数加减：是原码运算，隐含的 1 和右移的附加位也参与运算。
尾数规格化
尾数舍入：中间结果右边至少保留两位。第一位为保护位，用于保护右移的位；第二位为舍入位，用于舍入。进一步提高计算精度，还引入粘位，只要舍入位右边还有数字，粘位被置 1。（IEEE 754）
1. 就近舍入到偶数（0 舍 1 入）： $1.24 . . . \times 10^{4} \to 1.24 \times 10^{4}$
2. 朝 $+ \infin$ 方向舍入。
3. 朝 $- \infin$ 方向舍入。
4. 朝 $0$ 方向舍入。
阶码溢出判断：若右规后阶码全 $1$ ，则发生阶码上溢，产生异常或可能被置为 $+ \infin$ 或 $- \infin$ ；若左规后阶码全 $0$ ，则发生阶码下溢，结果为非规格化形式。

浮点数乘除运算

和加减类似，但在进行运算前需要保证操作数为两个正常的规格化浮点数，计算步骤中不需要对阶。

需要注意的例题和课后题

大端、小端，数据在内存中存放的方式
P33，进制转换
P48，例 2.23，例 2.24
P75，例 2.36
课后题 9，23，24，28，34，35

第三章

课本的 RTL 规定：R[r] 表示寄存器的内容，M[addr] 表示存储单元addr的内容，寄存器r采用不带 $%$ 的形式表示；M[PC]表示PC所指存储单元的内容；M[R[r]]表示寄存器r的内容所指的存储单元的内容。传送方向用 ← 表示。

不是重点，怕看混了

数据类型及其格式

C 声明	Intel 操作数类型	汇编指令长度后缀	存储长度（位）（IA-32）
(unsigned) char	整数/字节	b	8
(unsigned) short	整数/字	w	16
(unsigned) int	整数/双字	l	32
(unsigned) long int	整数/双字	l	32
(unsigned) long long int	—	—	2 × 32
char*	整数/双字	4	32
float	单精度浮点数	s	32
double	双精度浮点数	l	64
long double	扩展精度浮点数	t	80 / 96

IA-32 常用指令

通用数据传送指令

传送寄存器或存储器中的数据。

MOV ：movb，movw，movl
MOVS：符号拓展传送指令，比如movsbw 表示符号拓展s一个字节b 数据后传送到一个字w地址中。
MOVZ ：零拓展传送指令。

栈：高地址向低地址增长，使用 ESP 寄存器（stack pointer）指向栈顶。

PUSH ：先执行R[sp] <- R[sp] - 2 （字）或R[esp] <- R[esp] - 4 （双字），然后将一个字或者双字从指定寄存器送到 SP 或 ESP 指示的栈单元中。如pushl 表示双字压栈，pushw 表示字压栈。
POP ：先将一个字或双字从 SP 或 ESP 指示的栈单元送到指定寄存器中，再执行R[sp] <- R[sp] + 2 （字）或R[esp] <- R[esp] + 4 （双字）。如popl 表示双字出栈，popw 表示字出栈。

地址传送指令

传送源操作数的地址，指定目的寄存器不能是段寄存器，且源操作数必须是存储器寻址方式。可以利用该指令进行运算。

LEA （load effective address）

定点算术运算指令

CMP ：目的操作数减源操作数（AT&T 右减左），只改变标志位

下面这四条只是怕忘蒽…

INC：加 1，包括incb、incw、incl等
DEC：减 1，包括decb、decw、decl等
MUL / IMUL：无符号乘 / 带符号乘
DIV/ IDIV：带无符号除 / 带符号除。指令中只明显指出除数，使用AL / AX / EAX 中的内容除以除数。

按位运算指令

仅NOT 不影响条件标志位，其余指令执行后， $OF = CF = 0$ ， $ZF$ 和 $SF$ 根据结果设置。

TEST：两操作数相与，不改变原操作数。

移位指令

SHL/SHR: 逻辑左/右移（无符号），包括 shlb、shrw、shrl等
SAL/SAR: 算术左/右移（带符号），左移判溢出，右移高位补符，包括 salb、sarw、sarl等（移位前、后符号位发生变化，则 $OF = 1$ ）
ROL/ROR：循环左/右移，包括 rolb、rorw、roll等
RCL/RCR: 带进位循环左/右移，即：将 $CF$ 作为操作数一部分循环移位，包括 rclb、rcrw、rcll等

控制转移指令

四个标志位c、z、s、o；相等e；无符号数a（above）、b（below）；有符号数g（greater）、l（less）。

C 语言程序的机器级表示

过程调用的执行步骤（P 为调用者，Q 为被调用者）

现场即通用寄存器的内容。

P 保存现场（必要时）；
将入口参数（实参）放到 Q 能访问到的地方；
P 保存返回地址，然后将控制转移到 Q；（CALL）

以上三步为 P 栈帧。

Q 保存 P 的现场，并为自己的非静态局部变量分配空间；（准备阶段）
执行 Q 的过程体（函数体）；（处理阶段）
Q 恢复 P 的现场，释放局部变量空间；
Q 取出返回地址，将控制转移到 P。（RET）

以上四步为 Q 栈帧。

IA-32 的寄存器使用约定

调用者保存寄存器：eax，edx，ecx
如果调用函数 P 调用完 Q 返回后，还需用到eax寄存器，则需要 P 在调用 Q 前保存。一般而言 P 调用 Q 之后不需要用到eax寄存器，所以一般会将操作数优先存在eax，edx，ecx这类寄存器，以
被调用者保存寄存器：ebx，esi，edi
如果被调用者 Q 需要用到ebx，则 Q 需要保存到栈中再使用。
ebp：帧指针寄存器，指向当前栈帧底部，高地址
esp：栈指针寄存器，指向当前栈帧顶部，低地址。

为减少准备和结束阶段的开销，每个过程应先使用eax，edx，ecx寄存器。

栈、栈帧

栈：高地址向低地址增长，使用 ESP 寄存器（stack pointer）指向栈顶。

返回地址就是call 指令的下一条指令的地址。

变量的作用域和生存期

Q 栈帧中保存的 Q 内部的非静态局部变量只在 Q 执行过程中有效。

结合栈的图

准备参数入口，将值再复制了一遍是为什么？假设回调函数为swap(&t1,&t2)，要改变局部变量的之前是不是得先存起来，不然令t1=t2，t1 原来的值消失了怎么办。

按值传递参数和按地址传递参数

i386 中栈数据按 4 字节对齐，所以入口参数地址是R[ebp]+8 、R[ebp]+12 、R[ebp]+16 等等。R[ebp]+4 是返回地址。

复杂数据类型的分配和访问

数组

例如，static short A[4];要访问第i个元素，使用汇编指令movw (%edx, %ecx, 2), %ax 。由于是short类型，所以比例因子是 2（2 字节，1 字）。其中，ECX为变址（索引）寄存器，在循环体中增量。

数组与指针

结构体

结构型变量 x 各成员首址可用“基址加偏移量”的寻址方式。

数据的对齐

最简单的对齐策略是，按其数据长度进行对齐，例如，int型地址是 4 的倍数，short型地址是 2 的倍数，double和long long型的是 8 的倍数，float型的是 4 的倍数，char不对齐。Windows 采用该策略。

有用的小 trick：

前面的地址必须是后面的地址正数倍，不是就补齐
整个struct的地址必须是最大字节的整数倍

x86-64

基本特点

字长从 32 位变为 64 位，64 位（8B）数据被称为一个四字（qw: quadword）。指针（char*）和长整型（long）数据从 32 位拓展到 64 位。
long double型数据虽然还采用 80 位（10B）扩展精度格式，但所分配存储空间从 12B 扩展为 16B，即改为 16B 对齐方式，但不管是分配 12B 还是 16B，都只用到低 10B。

需要注意的例题和课后题

例如pushl popl leal 等指令执行过程理解
cmpl加条件转移指令的理解
汇编上机实验内容的编写理解
IA-32 与 X86-64 的区别
根据汇编写出 C 代码

P105，例 3.3
P122，7；P124，8
P150，例 3.14
课后题，6，8，10，11，14，17，19，21，22，23，28

汇编实验

assembly

CODE SEGMENT
   ASSUME CS:CODE
Begin: MOV BX,0  ; BX用于存放四位的16进制数
       MOV CH,4  ; CH用于计数，表示还需要输入的字符个数
       MOV CL,4  ; CL用于循环计数，表示每次输入一个字符后，BX左移的位数

INPUT: SHL BX,CL  ; 将BX左移CL位，为下一个字符的腾出位置
       MOV AH,1   ; 调用INT 21H中的功能1，从标准输入获取一个字符
       INT 21H
       CMP AL,30H  ; 比较输入的字符是否小于 '0'
       JB INPUT   ; 如果小于 '0'，重新输入
       CMP AL,39H  ; 比较输入的字符是否大于 '9'
       JA AF       ; 如果大于 '9'，跳转到AF处理字母输入
       AND AL,0FH  ; 将字符转换为对应的数字
       JMP BINARY  ; 跳转到BINARY继续处理

AF:    AND AL,11011111B  ; 处理字母输入，将大写字母转换为小写
       CMP AL, 'A'        ; 比较是否小于 'A'
       JB BINARY          ; 如果小于 'A'，跳转到BINARY继续处理
       SUB AL, 'A' - 10   ; 将字母转换为对应的数字

BINARY: OR BL,AL    ; 将处理后的数字与BX寄存器中的内容进行"或"运算
        DEC CH      ; 计数减一
        JNZ INPUT   ; 如果计数不为零，继续输入下一个字符

NEXT:   MOV CX,16   ; 初始化循环计数器CX，用于循环输出二进制数的每一位

DISP:   MOV DL,0    ; 初始化DL，用于存储二进制数的每一位
        ROL BX,1   ; 将BX左循环移位，将最高位移入Carry Flag中
        RCL DL,1   ; 将Carry Flag中的值存入DL，相当于取得BX最低位的值
        OR DL,30H  ; 将DL转换为ASCII码表示的字符
        MOV AH,2   ; 调用INT 21H中的功能2，输出一个字符
        INT 21H
        LOOP DISP  ; 循环，输出下一位二进制数

STOP:   MOV AH, 4CH  ; 调用INT 21H中的功能4CH，程序结束
        INT 21H

CODE ENDS
   END Begin

（代码注释由 ChatGPT 生成）

主要看INPUT和AF部分，INPUT部分是输入，AF部分是处理字母输入，将大写字母转换为小写，然后再转换为对应的数字。

计算机系统基础 ​

第一章 ​

冯·诺依曼结构 ​

程序设计语言 ​

翻译程序 ​

从源程序到可执行文件 ​

计算机系统的层次结构 ​

第二章 ​

R 进制数和十进制数相互转换 ​

浮点数的表示（IEEE 754 标准） ​

数据类型的宽度 ​

数据的基本运算 ​

左移和右移 ​

整数加减运算 ​

常量的乘除运算 ​

浮点数加减运算 ​

浮点数乘除运算 ​

需要注意的例题和课后题 ​

第三章 ​

数据类型及其格式 ​

IA-32 常用指令 ​

通用数据传送指令 ​

地址传送指令 ​

定点算术运算指令 ​

按位运算指令 ​

移位指令 ​

控制转移指令 ​

C 语言程序的机器级表示 ​

过程调用的执行步骤（P 为调用者，Q 为被调用者） ​

IA-32 的寄存器使用约定 ​

栈、栈帧 ​

变量的作用域和生存期 ​

按值传递参数和按地址传递参数 ​

复杂数据类型的分配和访问 ​

数组 ​

数组与指针 ​

结构体 ​

数据的对齐 ​

x86-64 ​

基本特点 ​

需要注意的例题和课后题 ​

汇编实验 ​

计算机系统基础

第一章

冯·诺依曼结构

程序设计语言

翻译程序

从源程序到可执行文件

计算机系统的层次结构

第二章

R 进制数和十进制数相互转换

浮点数的表示（IEEE 754 标准）

数据类型的宽度

数据的基本运算

左移和右移

整数加减运算

常量的乘除运算

浮点数加减运算

浮点数乘除运算

需要注意的例题和课后题

第三章

数据类型及其格式

IA-32 常用指令

通用数据传送指令

地址传送指令

定点算术运算指令

按位运算指令

移位指令

控制转移指令

C 语言程序的机器级表示

过程调用的执行步骤（P 为调用者，Q 为被调用者）

IA-32 的寄存器使用约定

栈、栈帧

变量的作用域和生存期

按值传递参数和按地址传递参数

复杂数据类型的分配和访问

数组

数组与指针

结构体

数据的对齐

x86-64

基本特点

需要注意的例题和课后题

汇编实验