微原笔记

目录

微原笔记

计算机中的信息表示

计算机系统组成

80X86微处理器发展与内部结构

汇编语言指令集

计算机中的信息表示

十进制数的二进制编码——BCD码

  • BCD码有多种形式，最常用的是8421BCD码，它是用4位二进制数对一个十进制数进行编码，这4位二进制码的值就是被编码的一位十进制数的值。(BCD码只能表示0-9 实际上是16进制数的一个子集)

    • 紧凑型BCD码

      （37）D=0011,0111B

    • 非紧凑型BCD码

      (37)D=0000,0011B

有符号数的编码

  • 在计算机中如何表示正负？

    计算机只能识别0和1组成的数或代码，所以有符号数的符号也只能用0和1来表示，即符号数值化，并作为数的一部分参与运算。

  • 机器数：一个数在计算机中的二进制表示形式，叫做这个数的机器数。机器数是带符号的，在计算机中用一个数的最高位存放符号，正数为0，负数为1.

  • 字长：是计算机在同一时间内处理二进制数的位数。是CPU的一个主要技术指标。

    对有符号数来讲，是包括符号位在内的一个二进制有符号数占有的位数。

    • 有符号数有三种表示方法（即机器数有三种形式）：

      • 原码 [X]原

        最高位为符号位，数值位部分就是该数的绝对值。

      • 反码 [X]反

        把最高位规定为符号位，数值部分对正数是其绝对值，对负数则是其绝对值按位取反（1变0,0变1）

      • 补码 [X]补

        对于正数的补码同原码、反码，负数的数值位部分为其绝对值按位取反后末位加1所得。

    • 无符号数

      某些处理的数据都是正数，最小数为0.可取消符号位，机器数的最高位是数值位。

    1.机器数比真值数多一个符号位

    2.正数的原、反、补码与真值数相同

            3. 负数原码的数值部分与真值相同；负数反码的数值部分为真值数按位取反；负数补码的数值部分为真指数按位取反末位加1.3. 没有负零的补码，或者说负零的补码与正零的补码相同。3. 由于补码表示的机器数更适合运算，计算机系统中负数一律用补码表示。

    练习题：

整数补码运算

  • “模"的概念

    一个计量器的最大容量称为该计量器的“模”

    （四位计数器能存0000~1111共十六个数，模=2^4

  • 求补运算

    设一个数的真值数值部分用X来表示，按照补码的编码规则，可以得到[+X]补；

    对[+X]补按位取反末尾加1，就得到[-X]补

  • 整数补码的加减运算

    [X+Y]补 = [X]补 + [Y]补

    [X-Y]补 = [X]补 +[-Y]补

    • 符号位参与运算

    • 以2^n 为模（n为字长）

    • 当真值满足下列条件时，结果是正确的，否则结果错误

      (-2^n-1) <= x,y,x+y,x-y <= (+2^n-1)

  • 溢出和进位的概念

    进位：运算后，最高位向更高位的进位值。（CF为进位标志）

    最高位的进位值保存在“进位标志寄存器”中

    溢出：运算结果超出了运算器所能表示的范围。（OF溢出标志）

    如加数与被加数的最高位相同，却与结果的最高位相异，则将"溢出标志寄存器"置为1，否则为0

  • 程序员如何判断溢出？

    如果参与运算的数是无符号数，则判进位标志

    如果是无符号数，则正确。若为有符号数则错误(两个整数相加生成一个负数)

    不论是无符号数还是有符号数都是错误的

计算机系统组成

计算机系统组成

微型机的硬件结构

以CPU为核心通过3条总线连接存储器、I/O接口，构成微型计算机，以其为主体，配上系统软件和外部设备，构成微型计算机系统。

  • CPU(微处理器):

    是超大规模集成电路，内部集成了运算器、控制器、寄存器组。

  • 存储器：

    系统的主存储器，简称为内存或主存。用来存放程序、数据

    • RAM

    • ROM

  • I/O接口：

    是CPU和外部设备交换信息的"中转站"

    (外部设备不能直接与CPU交换信息，必须通过接口)

  • 总线：

    是CPU与存储器、I/O接口交换信息的公共通道。

    • 地址总线：传输CPU访问存储器，访问I/O端口的地址信号。

    • 数据总线：传输CPU 读/写内存，读写I/O端口时的数据。

    • 控制总线：CPU发出的控制命令，或外部向CPU提出的请求。

“术语”：

  1. 读：即输入，信息通过总线从外部—>CPU

  2. 写：即输出，信息通过总线从CPU—>外部

存储器的基本概念

  • 存储元

    存储器的最小组成单位，用以存储1位二进制代码

  • 存储单元

    是CPU访问存储器基本单元，由若干个具有相同操作属性的存储元组成

  • 存储体

    存储单位的集合，是存放二进制信息的地方

  • 单元地址

    在存储器中用以标识存储单元的唯一编号，CPU通过该编号访问相应的存储单元

位(bit)是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，是取值只能为0或1的一个二进制数值位。记作b

字节(byte)由8个二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。记作B

地址线条数决定了访问内存的容量：n条地址线，可以访问2^n个字节存储容量。

通常用：KB(2^10字节)、MB(2^20字节)、GB(2^30字节)、TB(2^40字节)作为存储器的容量单位

  • 存储器的分类

    • 按存储介质分

      半导体存储器;用半导体器件组成的存储器

      磁表面存储器：用磁性材料做成的存储器

    • 按存储器的读写功能分

      只读存储器(ROM):存储的内容是固定不变的，只能读出而不能写入的半导体存储器。

      随机读写存储器(RAM)：既能读出又能写入的半导体存储器。

    • 按在计算机系统中的作用分：

      根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为：

      主存储器(主存）、辅助存储MIPS

      器(外存、辅存）、高速缓冲存储器(Cache)、控制存储器等

80X86微处理器发展与内部结构

  • 与微处理器有关的常用术语

    • 字长(数据宽度)

      字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位、32位和64位等。

    • 寻址能力

      指CPU能直接存取数据的内存地址的范围，它由CPU的地址总线的数目决定。

    • 主频

      主频也叫时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高，表示微处理器运行越快，主频的单位是MHz、GHz.

    • MIPS

      MIPS是Millions of Instruction Per Second的缩写，用来表示微处理器的性能——运算速度，用每分钟能执行多少百万条指令表示。

    • 微处理器的集成度

      指微处理器芯片上集成的晶体管的密度

  • 微处理器的基本功能模块：

    • 总线接口单元BIU

      (寄存器组)

    • 执行单元EU

    （运算器和控制器、寄存器组）

 32位微处理器的内部结构寄存器

基本结构寄存器

  • 通用寄存器

    • BX—— 基址寄存器

    • AX——累加器

    • CX——计数器

    • DX——数据寄存器

      IP、SP、BP、SI、DI为寻址存储单元提供偏移地址

    • IP——指令指针

    • BP——基址指针

    • SI——源变址寄存器

    • DI——目的变址寄存器

  • 标志寄存器

    标志寄存器EFLAGS为32位寄存器，FLAGS又称为程序状态字PSW，为16为寄存器。

    32位CPU标志寄存器为32位，实际使用15

    • 标志寄存器的作用：记录CPU运行结果状态标志；控制CPU的某种操作

    • 标志寄存器提供两类标志：

      • 状态标志：表示前面的操作执行后，算术逻辑部件处在怎样一种状态，有SF、ZF、PF、CF、AF、OF。

      • 控制标志：每个控制标志都对某一种特定的功能其控制作用。指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除。有DF、IF、TF。

  • 段寄存器

    • CS——代码段寄存器

    • DS——数据段寄存器

    • ES——附加段寄存器

    • SS——堆栈寄存器

      CS、DS、ES、SS——4个段寄存器，和偏移地址寄存器一起形成20位存储器物理地址，对存储器中存放的程序、数据、堆栈区域加以区别、寻址。

      寻址程序(指令)：CS+IP

      寻址数据：(DS或ES)+(SI或DI、BX、BP)

      寻址堆栈：SS+(SP或BP)

32位微处理器的工作模式

32位微处理器地址空间

  • 存储空间

    • 物理空间：程序的运行空间，即主存空间

      • 486有32条地址线，内存最大容量4G，这4G字节称为物理存储器，每一单元的地址称为物理地址，其地址范围：0000,0000H~FFFF,FFFFH为物理存储空间。

    • 虚拟空间：编程空间

      • CPU内部的存储管理部件把主存(物理存储器)和辅存(磁盘)看做是一个整体。

      • 允许编程空间为2^46=64T，程序员可在此地址范围内编程，大大超过物理空间。该空间对应的地址称为虚拟地址或逻辑地址。

      • 程序运行时，操作系统从虚拟空间取一部分程序代码载入物理空间运行。

    • 线性空间

      • 当程序 从虚拟空间调入物理空间时，要进行地址转换。

      • 分段部件首先把虚拟地址转换为线性地址。

      • 如果不分页的话，线性地址就是物理地址。

      • 如果分页的话，则由分页部件把线性地址转换为物理地址。

  • I/O空间

    • 486利用低16位地址线访问I/O端口，所以I/O端口最多有2^16=64K，I/O地址空间为0000H~FFFFH

    • I/O地址空间不分段

    • I/O地址空间与存储空间不重叠

32位微处理器(486)工作模式

  • 实地址模式(实模式)

    实地址模式下的物理地址与逻辑地址

    • 物理空间对应的物理地址

      是指1MB存储区域中的某一单元地址，地址信息是20位的二进制代码，以16进制表示 时，是00000H~FFFFFH中的一个单元。

    • 编程空间对应的逻辑地址

      编制程序应采用逻辑地址。程序是分段的，逻辑地址由段基址和偏移地址组成。

      书写成段基址：偏移地址

      注意：物理地址是唯一的，不同的逻辑地址可以得到相同的物理地址。

      1000H:2345H——12345H

      1200H:0345H——12345H

  • 保护虚拟地址模式(保护模式)

  • 虚拟86模式

汇编语言指令集

指令概述

  • 指令

    指令时CPU操作的基本单位，每条指令执行一个特定的操作。

    CPU全部指令的集合，称为指令集。

    • 指令的分类

      • 机器指令：二进制格式编码的序列（为表达方便下表用16进制表示）

      • 符号指令：用字符串形式的序列表示

        操作 80486符号指令 80486机器指令
        1234H->AX MOV AX,1234H B8 43 12
        AX+BX->AX ADD AX,BX 03 C3
        CX-DX->CX SUB CX,DX 2B CA
        返回调用程序 RET C3

    • 指令的组成

      标号：操作码助记符 空格 操作数助记符 ；注释

      NEXT: ADD AX,BX ;AX+BX->AX

    • 指令的长度

      指令在存储器中占用的字节数称为指令长度。80X86指令长度为1~16字节

    • 指令的地址

      多字节指令占用连续的内存单元，存放指令第一字节的内存单元地址，称为“指令地址”

    • 指令的存放

      首先存放操作码，然后存放操作数。多字节操作数连续存放，顺序依据小端法规则(低位字节存放在低地址单元，高对高)

  • 标志寄存器

    • C标志——进位/借位标志

      • 字节加/减，最高位(D7)产生进位/借位时：C标志置1，否则置0

      • 字加减，最高位(D15)产生进位/借位时，C标志置1，否则置0

      • 双字加减，最高位(D31)产生进位/借位时：C标志置1，否则置0

    • A标志——辅助进位/借位标志

      • 字节、字、双字加减，D3位产生进位/借位时：A标志置1，否则置0

    • S标志——符号标志

      • 字节运算后，结果的最高位D7位为1，S标志置1，否则置0

      • 字运算后，结果的最高位D15位为1，S标志置1，否则置0

      • 双字运算后，结果的最高位D31位为1，S标志置1，否则置0

    • Z标志——零标志

      • 运算结果为全0时，Z标志置1，否则置0

    • P标志——奇偶标志(实际上是偶标志 )

      • 运算结果的低8位中，若“1”的个数为偶数个，则P标志置1，否则置0

    • O标志——溢出标志

      • 则加数与被加数的最高位相同，却与结果的最高位相异，则O标志置1，否则置0

      • 程序员如何判断溢出？

        • 有符号数运算，判O标志，O标志为1，有溢出

        • 无符号数运算，判C标志，C标志为1，有溢出

    • 操作数的分类

      • 操作数包含在指令中，称为立即数

        • 操作数存放在CPU的某个寄存器中，称为寄存器操作数

        • 操作数存放在存储器中，称为存储器操作数(内操作数)

        • 操作数存放在I/O端口中，称为I/O端口操作数

  • 操作数对应的寻址方式

    • 立即寻址:获得立即数

      立即寻址方式所提供的操作数直接放在指令中，紧跟在操作码的后面，与操作码一起放在代码段区域中。立即数可以是8、16、32位 

    • 寄存器寻址：获得寄存器操作数

    • 操作数在CPU的某个寄存器中，符号指令中直接写出寄存器名称

    • 存储器操作数寻址：获得内存操作数

      • 在读取内存操作数之前，CPU必须知道相关存储单元的物理地址

      • 由于CPU对存储器采用分段管理，因此指令格式中只能写出存放操作数的内存单元的逻辑地址

      • 直接寻址

        地址表达式的格式1：段寄存器：[偏移地址]

        地址表达式的格式2：段寄存器：变量名

        用变量名代表存储单元的有效地址

        格式1很少使用 通常程序员不知道某单元的偏移地址

        汇编语言允许为某单元起一个名字，这个名字就称为该单元的变量名

      • 寄存器间接寻址

        操作数在内存单元，该单元的段基址在段寄存器中，偏移地址在间址寄存器中，CPU首先进行地址计算

        1）间接寻址的地址表达式 段寄存器：[间址寄存器]

        某单元的物理地址=段寄存器内容×16 + 间址寄存器

        2）访问约定的逻辑段，间接寻址的地址表达式 简化为：

        [间址寄存器]

        某单元的物理地址=约定的段寄存器内容×16 + 间址寄存器

        间址寄存器 约定访问的逻辑段
        BP 堆栈段 16位寻址方式
        BX,SI,DI 数据段 16
        EBP,ESP 堆栈段 32位寻址方式
        EAX~EDX,ESI,EDI 数据段 32

      • I/O端口操作数寻址

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