3章 程序的机器级以及程序优化

理解计算机是如何抽象工作的？

现代计算机体系也符合早期冯.诺伊曼结构需要有如下部件：

1、存储器：上面有编号，代表存储空间地址0,1,2,3…。

2、控制器：发出总的控制信号。

3、算术逻辑部件：ALU，可以进行算术运算和逻辑运算，可以是GPRs里面操作数，也可以存储器里面操作数。运算结果可以放回寄存器或者输出到存储器。

4、通用寄存器：用于暂时存储一些数据。

5、标志寄存器：运算结果还包含一些标志信息存储在标志寄存器，例如符号是什么，有没有进位，有没有溢出等等，可以送到控制器影响后续指令的执行。

6、IR：指令寄存器，指令暂时存放的寄存器。

7、MAR：地址总线，送出存储器上面的地址信号，配合控制信号，可以通过数据总线取出对应地址上面的数据。

8、MDR：数据总线，通过数据总线读取数据，如果读取指令，那么送到IR寄存器，如果读取数据，要么直接送到ALU计算，要么先送到GPRs再送到ALU进行计算。

将上述部件类比生活妈妈中的做菜：

CPU=厨房，爸爸=控制器，盘子=GPRs，锅炉等=ALU，厨房架子=存储器。

- 做菜之前：

原材料（数据）和菜谱（指令）都按序号放在厨房外的架子（存储器）上，每一个架子都有编号（存储单元地址）。

菜谱上含有一些信息：原料位置、做法、做好的菜放哪里等。例如，把10、11号架子上的原料一起抄，并放入3号盘，然后告诉从第5个架子（PC=5）上指定菜谱开始做。

- 开始做菜：

第一步：从5号架上取菜谱（根据PC从内存取指令）。

第二步：看菜谱（控制器指令译码）。

第三步：从架子上或盘中取原材料（根据译码从寄存器或者内存取操作数）。

第四步：洗、切、炒等具体操作（指令在ALU执行）。

第五步：装盘（放入寄存器留待后续操作使用）或者送桌子（直接放回对应的架子）。

第六步：算出下一个菜谱所在架子号。（修改PC值返回第一步重复执行）。

继续做下一道菜（执行下一条指令）。

以上操作涉及了内存和寄存器，寄存器实际上也是CPU内部的暂时存储单元，可以存储一些数据，可以加速数据的提取；因为从物理内存提取需要发送地址信号，控制信号，数据接收相对比较耗时。

实际过程执行：

指令和数据：

指令概念：

不同的机器，机器指令不一样。这跟具体的供应商有关。

机器级指令：

机器指令与汇编指令一一对应，汇编仅仅是一些助记符而已，最终编译器会翻译成0/1序列。

高级语言转换成机器代码过程：

指令体系结构：

体系结构是一种规定，每一个厂商都有各自的指令集。但是最终实现的功能都是抽象的操作硬件。通过指令可以使得计算机通用，不同的功能，用不能的指令组合序列来实现。不同的ISA规定的指令集不同，如IA-32、MISP、ARM等，计算机组成必须能够实现ISA规定的功能，如提供GPR、标志、运算电路等。同一种ISA可以有不同的计算机组成，如乘法指令可用ALU或乘法器实现。ISA是就是计算机组成的抽象。

IA-32指令系统：

以IA-32指令系统为例子来讲述指令系统这个抽象概念。

1、IA32寄存器组成：



2、计算机中数据存放在哪里：

要么在靠近CPU的临时数据存储器寄存器当中，相当于厨房里面盘子，寄存器文件构成通用寄存器组GPRs，要么在远离CPU的存储器。二者访问速度不同。

3、IA-32支持数据类型及格式：



4、IA-32寄存器组织：





5、IA-32的寻址：



最重要的是保护模式下寻址，也就是虚拟地址。



存储器操作数的寻址方式：

c语言变量声明后，编译器会在存储空间里面分配对应的存储单元。不同类型，不同对齐方式，分配地址空间不一样。各种寻址方式就对应不同类型变量，假定地址是连续递增的。





现在为什么理解为什么需要提供这么多寻址方式，因为高级语言当中不同类型的声明有这种计算的需求，通过给出这种寻址方式，硬件计算起来通过指令寻址会特别快。

6、IA-32机器指令格式：



其中 8d 04 02 对应的汇编指令为 leal (%edx , %edx , 1) , %eax。所以这个指令在存储器上存储的是8d，04 ，02 。控制器取出这条指令之后，首先经过译码，然后再执行其告诉的操作。这个译码方式我们不需要明白（这些是芯片制造厂商需要考虑的问题），但是需要理解机器的工作过程就是这样的。所以最终存储在存储器上面的全部都是0和1序列。现在对于这个CPU工作方式大概有了一点了解，很有用。



第6周：

栈：

C语言语句的机器级表示