計(jì)算機(jī)組成原理與匯編語言第8章

計(jì)算機(jī)組成原理與匯編語言第8章目錄計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述中央處理器存儲器層次結(jié)構(gòu)匯編語言基礎(chǔ)匯編語言程序設(shè)計(jì)目錄匯編語言與高級語言的接口計(jì)算機(jī)組成原理與匯編語言實(shí)驗(yàn)01計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述硬件系統(tǒng)包括中央處理器、內(nèi)存儲器、外存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂，控制和協(xié)調(diào)硬件系統(tǒng)的工作。數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)處理的對象，包括數(shù)字、文字、圖像、聲音等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成電子管計(jì)算機(jī)，體積龐大、功耗高、可靠性差。第一代計(jì)算機(jī)集成電路計(jì)算機(jī)，進(jìn)一步縮小了體積、降低了功耗、提高了可靠性。第三代計(jì)算機(jī)晶體管計(jì)算機(jī)，體積縮小、功耗降低、可靠性提高。第二代計(jì)算機(jī)大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了超大規(guī)模集成電路技術(shù)，使得計(jì)算機(jī)的性能得到了極大的提升。第四代計(jì)算機(jī)01030204計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的發(fā)展包括操作系統(tǒng)、編譯程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本軟件，負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，為應(yīng)用軟件提供支持和服務(wù)。是為滿足用戶特定需求而開發(fā)的軟件，包括辦公軟件、圖像處理軟件、游戲軟件等。應(yīng)用軟件基于系統(tǒng)軟件運(yùn)行，為用戶提供各種功能和服務(wù)。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的分類應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件02中央處理器算術(shù)邏輯單元（ALU）負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算（如加、減、乘、除）和邏輯運(yùn)算（如與、或、非）。內(nèi)部總線連接CPU內(nèi)部各部件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。寄存器組包括通用寄存器、程序計(jì)數(shù)器（PC）、指令寄存器（IR）等，用于暫存數(shù)據(jù)和地址。控制單元（CU）負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各部件工作，包括取指、分析指令和執(zhí)行指令。CPU的功能和組成指令集架構(gòu)（ISA）定義了CPU能執(zhí)行的指令集以及指令的編碼格式。常見的指令集架構(gòu)有x86、ARM、MIPS等。微架構(gòu)描述了CPU如何執(zhí)行指令的底層細(xì)節(jié)，包括流水線設(shè)計(jì)、分支預(yù)測、緩存策略等。不同的微架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)相同的指令集架構(gòu)。指令集架構(gòu)與微架構(gòu)時鐘頻率（主頻）CPU每秒鐘執(zhí)行的時鐘周期數(shù)，通常以MHz或GHz表示。主頻越高，CPU處理速度越快。衡量CPU在每個時鐘周期內(nèi)能執(zhí)行的平均指令數(shù)。IPC越高，CPU的并行處理能力越強(qiáng)。多核CPU能同時處理多個任務(wù)，提高整體性能。衡量多核性能的指標(biāo)包括多核跑分、多線程性能等。功耗表示CPU在運(yùn)行時的功率消耗，而能效比則衡量CPU在給定功耗下的性能表現(xiàn)。高性能、低功耗的CPU具有更高的能效比。每時鐘周期指令數(shù)（IPC）多核性能功耗與能效比CPU的性能指標(biāo)03存儲器層次結(jié)構(gòu)存儲器的分類與特點(diǎn)按存儲介質(zhì)分類半導(dǎo)體存儲器、磁表面存儲器、光表面存儲器按在計(jì)算機(jī)中的作用分類主存儲器、輔助存儲器、緩沖存儲器按存取方式分類隨機(jī)存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、順序存取存儲器（SAM）、直接存取存儲器（DAM）存儲器的特點(diǎn)存儲容量、存取時間、存儲周期、存儲器帶寬主存儲器存放程序和數(shù)據(jù)的部件，是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)“存儲程序控制”的基礎(chǔ)，由存儲體、地址譯碼器、驅(qū)動電路、讀寫電路和控制電路等組成輔助存儲器作為主存儲器的后援設(shè)備，又稱為外部存儲器，簡稱外存。目前最常用的外存有磁盤、磁帶和光盤等主存與輔存的區(qū)別主存是直接與CPU交換信息的存儲器，輔存則需要通過接口和主存交換信息；主存存取速度快，但容量小，輔存存取速度慢，但容量大主存儲器與輔助存儲器Cache存儲器位于CPU和主存之間的高速小容量存儲器，由高速SRAM組成。其作用是解決CPU和主存之間速度不匹配的問題，提高CPU的利用率和系統(tǒng)的整體性能虛擬存儲器一種擴(kuò)大內(nèi)存容量的技術(shù)，其容量由計(jì)算機(jī)的地址結(jié)構(gòu)和外存容量決定。虛擬存儲器的實(shí)現(xiàn)基于程序局部性原理，通過把程序的一部分裝入內(nèi)存，其余部分留在外存，從而擴(kuò)大程序的邏輯地址空間Cache與虛擬存儲器的區(qū)別Cache是解決CPU和主存之間速度不匹配的問題，而虛擬存儲器是解決內(nèi)存容量不足的問題；Cache完全由硬件實(shí)現(xiàn)，而虛擬存儲器由硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)Cache存儲器與虛擬存儲器04匯編語言基礎(chǔ)ABCD匯編語言的特點(diǎn)與優(yōu)勢與機(jī)器語言密切相關(guān)匯編語言是一種低級語言，與機(jī)器語言非常接近，可以直接控制計(jì)算機(jī)硬件?？梢浦残圆顓R編語言與特定的計(jì)算機(jī)架構(gòu)和操作系統(tǒng)密切相關(guān)，因此其可移植性較差。高效性能由于匯編語言接近底層硬件，因此其執(zhí)行效率非常高，適合編寫對性能要求較高的程序。調(diào)試方便匯編語言程序可以直接對應(yīng)到機(jī)器指令，因此調(diào)試起來相對容易。匯編語言的基本語法指令格式匯編語言的指令通常由操作碼和操作數(shù)組成，操作碼表示要執(zhí)行的操作，操作數(shù)表示操作的對象。偽指令偽指令用于指示匯編程序進(jìn)行某些操作，如定義數(shù)據(jù)、分配存儲空間等。宏指令宏指令是一段可重用的代碼片段，可以通過宏定義來實(shí)現(xiàn)代碼復(fù)用。表達(dá)式與運(yùn)算符匯編語言支持基本的算術(shù)和邏輯運(yùn)算符，以及表達(dá)式計(jì)算。程序執(zhí)行流程匯編語言程序的執(zhí)行流程包括順序執(zhí)行、條件分支、循環(huán)等控制結(jié)構(gòu)。堆棧段堆棧段用于實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用和局部變量存儲等功能。代碼段代碼段用于存放程序的指令代碼。程序段匯編語言程序通常分為多個段（segment），每個段用于存放不同類型的數(shù)據(jù)或代碼。數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段用于存放程序中使用的變量和常量等數(shù)據(jù)。匯編語言程序結(jié)構(gòu)05匯編語言程序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳送和處理順序程序中，數(shù)據(jù)的傳送和處理是通過一系列指令完成的，如MOV指令用于數(shù)據(jù)傳送，ADD、SUB等指令用于數(shù)據(jù)處理。程序控制順序程序的執(zhí)行流程是固定的，但可以通過條件轉(zhuǎn)移指令或無條件轉(zhuǎn)移指令改變程序的執(zhí)行流程。指令順序執(zhí)行程序中的指令按照編寫的順序，從上到下逐條執(zhí)行，每條指令執(zhí)行完畢后，自動轉(zhuǎn)到下一條指令執(zhí)行。順序程序設(shè)計(jì)分支程序設(shè)計(jì)分支結(jié)構(gòu)分支程序的結(jié)構(gòu)包括條件判斷、分支轉(zhuǎn)移和分支結(jié)束等部分。條件判斷根據(jù)條件選擇分支，分支轉(zhuǎn)移將程序轉(zhuǎn)移到相應(yīng)分支的入口地址，分支結(jié)束表示該分支的執(zhí)行結(jié)束。條件判斷分支程序根據(jù)某個條件進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果選擇不同的程序段執(zhí)行。條件判斷通常使用比較指令和條件轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。多分支處理當(dāng)存在多個分支時，可以使用多路轉(zhuǎn)移指令或嵌套的條件判斷來處理多分支情況。循環(huán)控制循環(huán)程序通過循環(huán)控制指令實(shí)現(xiàn)循環(huán)的執(zhí)行，包括循環(huán)開始、循環(huán)條件和循環(huán)結(jié)束等部分。循環(huán)開始設(shè)置循環(huán)的初始狀態(tài)，循環(huán)條件判斷循環(huán)是否繼續(xù)執(zhí)行，循環(huán)結(jié)束表示一次循環(huán)的完成。循環(huán)結(jié)構(gòu)循環(huán)程序的結(jié)構(gòu)包括循環(huán)體和循環(huán)控制兩部分。循環(huán)體是循環(huán)中重復(fù)執(zhí)行的程序段，循環(huán)控制負(fù)責(zé)控制循環(huán)的執(zhí)行流程。循環(huán)優(yōu)化為了提高循環(huán)程序的執(zhí)行效率，可以采用一些優(yōu)化措施，如減少循環(huán)次數(shù)、使用循環(huán)展開和向量化等技術(shù)。循環(huán)程序設(shè)計(jì)06匯編語言與高級語言的接口匯編語言與C語言的接口C語言函數(shù)調(diào)用時，參數(shù)傳遞和返回值遵循特定的調(diào)用約定，匯編語言需要遵循相同的約定才能實(shí)現(xiàn)與C函數(shù)的互操作。數(shù)據(jù)類型對應(yīng)C語言中的數(shù)據(jù)類型在匯編語言中都有相應(yīng)的表示方式，如int類型對應(yīng)匯編中的整數(shù)寄存器或內(nèi)存單元。內(nèi)存管理C語言使用動態(tài)內(nèi)存分配時，匯編語言需要相應(yīng)地進(jìn)行內(nèi)存的申請、釋放和管理。調(diào)用約定匯編語言與Python語言的接口某些Python實(shí)現(xiàn)支持內(nèi)聯(lián)匯編，允許在Python代碼中直接嵌入?yún)R編代碼片段。內(nèi)聯(lián)匯編Python的ctypes庫提供了與C語言兼容的數(shù)據(jù)類型和函數(shù)調(diào)用方式，可用于與匯編語言的互操作。ctypes庫通過FFI技術(shù)，Python可以調(diào)用外部C語言庫，進(jìn)而間接調(diào)用匯編語言實(shí)現(xiàn)的函數(shù)。FFI（ForeignFunctionInter…硬件訪問匯編語言可以直接訪問硬件寄存器和內(nèi)存地址，適用于嵌入式系統(tǒng)中需要直接控制硬件的場景。啟動代碼和中斷處理嵌入式系統(tǒng)的啟動代碼和中斷處理程序通常使用匯編語言編寫，以確保系統(tǒng)的正確啟動和實(shí)時響應(yīng)。性能優(yōu)化在嵌入式系統(tǒng)中，資源受限，性能要求較高。使用匯編語言可以對關(guān)鍵代碼段進(jìn)行精細(xì)優(yōu)化，提高執(zhí)行效率。匯編語言在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用07計(jì)算機(jī)組成原理與匯編語言實(shí)驗(yàn)02030401實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笳莆沼?jì)算機(jī)組成原理的基本概念和原理；熟悉匯編語言的基本語法和指令系統(tǒng)；了解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成和工作原理；通過實(shí)驗(yàn)加深對計(jì)算機(jī)組成原理和匯編語言的理解。ABCD搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境安裝匯編語言編譯器和調(diào)試器，配置實(shí)驗(yàn)所需的硬件和軟件環(huán)境；編譯和調(diào)試程序使用匯編語言編譯器將編寫的程序編譯成機(jī)器碼，并使用調(diào)試器進(jìn)行調(diào)試，確保程序正確無誤；觀察和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果運(yùn)行程序并觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析程序的執(zhí)行過程和輸出結(jié)果，加深對計(jì)算機(jī)組成原理和匯編語言的理解。編寫匯編程序根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，編寫簡單的匯編程序，包括輸入輸出、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算等；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟