第一章 绪论
1.2 计算机的软硬件组成
1.3 层次结构模型
第二章 计算机中的信息表示
2.1 数值型数据的表示
一、原码、补码、反码、移码的定义
原码
- 原码是计算机对数字的最直接的二进制表示。
- 符号位：最高位为符号位，
0表示正数，1表示负数。 - 数值位：剩余位表示数值的绝对值。
- 优点：直观，便于理解。
- 缺点：不便于进行加减运算，尤其是涉及正负数时。
例如：
- +5+5：
00000101(8位) - −5-5：
10000101(8位)
反码
- 正数的反码与原码相同。
- 负数的反码是对原码的数值位逐位取反（符号位不变）。
- 用于解决原码加减法中符号位处理的问题。
例如：
- +5+5：
00000101(反码与原码相同) - −5-5：
11111010(符号位为1，数值位取反)
补码
- 正数的补码与原码相同。
- 负数的补码是在反码的基础上加1。
- 补码广泛用于计算机内部的加减运算，因为它统一了正负数的运算规则。
例如：
- +5+5：
00000101(补码与原码相同) - −5-5：
11111011(反码11111010加1)
移码
- 移码是一种特殊的编码方式，常用于浮点数表示中的指数部分。
- 计算方式：移码 = 真值 + 偏移量（通常为 2n−12^{n-1}，nn为位数）。
- 移码的好处是将所有的值都转换为非负数，方便比较大小。
例如：假设8位移码，偏移量为127：
- +5+5：真值
5，移码为127 + 5 = 132，二进制10000100。 - −5-5：真值
-5，移码为127 - 5 = 122，二进制01111010。
二、正数、负数、定点数、浮点数、小数的表示
正数与负数的表示
- 原码：符号位 + 数值位（正数符号位为0，负数符号位为1）。
- 补码：统一正负数，正数直接使用原码，负数需要补码处理。
- 反码：正数直接使用原码，负数需按反码规则处理。
三、例子说明：定点数、浮点数、小数的表示
三、总结
| 编码方式 | 正数表示 | 负数表示 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 原码 | 符号位 + 数值位 | 符号位 + 数值位 | 直观，但不适合运算 |
| 反码 | 与原码相同 | 符号位不变，数值位逐位取反 | 改善运算规则，但仍需特殊处理加减运算 |
| 补码 | 与原码相同 | 反码 + 1 | 统一运算规则，便于硬件实现 |
| 移码 | 真值 + 偏移量 | 真值 + 偏移量 | 主要用于浮点数表示，所有值转换为非负数 |
表格对比总结
| 数值 | 表示方式 | 二进制形式 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 5.755.75 | 定点数 | 00010111 | 小数点固定在最后 |
| 5.755.75 | 浮点数（IEEE 754） | 0 | 10000001 有错 |
| −0.625-0.625 | 定点数 | 10000010 | 符号位+数值位 |
| −0.625-0.625 | 浮点数（IEEE 754） | 1 | 01111110 有错 |
2.2 字符的表示
ASCII（American Standard Code for Information Interchange）
概念：
ASCII 是一种早期的字符编码标准，用于表示英文字符和控制符号。它为字符分配了数字编号，主要用于简化计算机和设备之间的文本交换。
特点：
- 编码范围：
- 使用 7 位二进制表示，最多表示 27=1282^7 = 128 个字符。
- 后来扩展为 8 位（ASCII 扩展码），可以表示 28=2562^8 = 256 个字符。
- 字符集：
- 包括控制字符（如回车、换行等）和可打印字符（如字母、数字、标点符号）。
- 例如：
- 字母 A：编码为
65，二进制为01000001。 - 空格：编码为
32，二进制为00100000。
- 字母 A：编码为
局限性：
- 仅支持英文和部分特殊符号，不适用于多语言环境。
UNICODE（统一码/万国码）
概念：
Unicode 是一种全球通用的字符编码标准，旨在为每种语言的每个字符分配唯一的编码，以实现多语言文本的统一表示和交换。
特点：
- 编码范围：
- 支持超过 140,000 个字符，覆盖大多数书写系统，包括字母、数字、符号、汉字等。
- 每个字符分配一个唯一的编号（码点），形式为
U++ 十六进制数字。例如：- 大写字母 A：
U+0041。 - 中文“中”：
U+4E2D。
- 大写字母 A：
- 编码形式：
- Unicode 定义了字符，但没有规定存储形式，常见的实现方式包括：
- UTF-8：可变长编码，每个字符用 1 至 4 个字节表示，向后兼容 ASCII。
- UTF-16：每个字符用 2 或 4 个字节表示。
- UTF-32：每个字符固定用 4 个字节表示。
- Unicode 定义了字符，但没有规定存储形式，常见的实现方式包括：
- 兼容性：
- UTF-8 被广泛应用于网络传输和文件存储，因其高效且兼容 ASCII。
汉字编码
背景：
汉字因数量庞大且复杂，需要特殊的编码方式。早期 ASCII 不支持汉字，后来发展出多种编码方案以支持汉字输入、显示和存储。
主要编码方式：
GB2312（1980年，简体中文）
- 编码范围：包含 6,763 个常用汉字和符号。
- 每个汉字占用 2 个字节。
- 适用于简体中文环境。
GBK（1995年，扩展编码）
- 向下兼容 GB2312，并扩展支持繁体字和更多汉字。
- 共支持 21,886 个字符。
GB18030（2000年，国家标准）
- 进一步扩展，覆盖 Unicode 中的所有汉字。
- 向下兼容 GBK 和 GB2312。
- 汉字可用 2 至 4 个字节表示。
Big5（繁体中文）
- 流行于台湾和香港，支持 13,053 个字符。
UTF-8（国际通用）
- Unicode 的实现形式之一，汉字编码为 3 个字节。
- 例如：
- 汉字“中”：Unicode 码点
U+4E2D，UTF-8 编码为E4 B8 AD。
- 汉字“中”：Unicode 码点
总结对比
| 编码方式 | 特点 | 应用范围 |
|---|---|---|
| ASCII | 仅支持英文字符，使用 7 或 8 位编码 | 英文文本 |
| Unicode | 全球字符统一编码，支持多语言，常见 UTF-8、UTF-16 实现 | 全球通用 |
| 汉字编码 | 适应中文的特殊编码方式，如 GB2312、GBK、GB18030、UTF-8 | 简体中文、繁体中文和国际化 |
2.3 指令信息的表示
1. 指令格式
指令格式指的是计算机指令的结构，定义了指令中的各个字段及其位置，通常包括操作码（Opcode）和操作数（Operand）等部分。
常见指令格式包括：
操作码（Opcode）：
- 指示计算机应执行的操作类型，如加法、减法、跳转等。
- 例如：加法指令
ADD、存储指令MOV。
操作数（Operand）：
- 指令的操作对象，可以是寄存器、内存地址或立即数（常数值）。
- 例如：在
MOV AX, 5指令中，AX和5是操作数。
地址模式字段（Addressing Mode）：
- 指明操作数的获取方式（即如何计算操作数的地址）。
常见的指令格式类型：
- 单操作数指令：只有一个操作数，例如
NEG AX（取反寄存器 AX 的值）。 - 双操作数指令：有两个操作数，例如
ADD AX, BX（将寄存器 BX 的值加到 AX 中）。 - 三操作数指令：例如
MUL AX, BX, CX（将 AX、BX、CX 的值相乘）。
2. 常用寻址方式
寻址方式决定了如何从内存或寄存器中访问操作数。常见的寻址方式包括：
1. 直接寻址（Direct Addressing）
- 操作数的地址直接在指令中给出。
- 例子：
MOV AX, [1234h]，表示从内存地址1234h处获取数据并存入寄存器AX。
2. 间接寻址（Indirect Addressing）
- 操作数的地址由寄存器中的值提供。
- 例子：
MOV AX, [BX]，表示从寄存器BX指定的内存地址中获取数据并存入寄存器AX。
3. 寄存器寻址（Register Addressing）
- 操作数位于寄存器中，指令中直接指定寄存器。
- 例子：
MOV AX, BX，表示将寄存器BX的值传送到寄存器AX。
4. 立即寻址（Immediate Addressing）
- 操作数是一个常数，直接在指令中给出。
- 例子：
MOV AX, 5，表示将常数5传送到寄存器AX。
5. 基址寻址（Base Addressing）
- 操作数的地址由基址寄存器（如
BX）和偏移量（如1234h）组合得出。 - 例子：
MOV AX, [BX + 1234h]，表示从BX + 1234h地址处获取数据。
6. 变址寻址（Indexed Addressing）
- 操作数的地址由变址寄存器（如
SI）和一个常数偏移量组成。 - 例子：
MOV AX, [SI + 5]，表示从SI + 5地址处获取数据。
7. 相对寻址（Relative Addressing）
- 地址是当前指令位置加上一个偏移量。
- 常用于跳转指令（如跳转或分支指令）。
- 例子：
JMP 5，表示跳转到当前位置 + 5 的地方。
8. 堆栈寻址（Stack Addressing）
- 操作数从栈中获取或存储到栈中，通常与堆栈指针（如
SP）相关。 - 例子：
PUSH AX，将寄存器AX的值压入栈中。
总结表
| 寻址方式 | 描述 | 例子 |
|---|---|---|
| 直接寻址 | 操作数的地址直接给出 | MOV AX, [1234h] |
| 间接寻址 | 操作数的地址由寄存器中的值提供 | MOV AX, [BX] |
| 寄存器寻址 | 操作数在寄存器中 | MOV AX, BX |
| 立即寻址 | 操作数是常数，直接给出 | MOV AX, 5 |
| 基址寻址 | 操作数地址由基址寄存器和偏移量组合得出 | MOV AX, [BX + 1234h] |
| 变址寻址 | 操作数地址由变址寄存器和偏移量组合得出 | MOV AX, [SI + 5] |
| 相对寻址 | 地址是当前位置加上偏移量，常用于跳转指令 | JMP 5 |
| 堆栈寻址 | 操作数从栈中取或存储到栈中 | PUSH AX |
3. 指令类型
在计算机架构中，指令类型通常可以根据其功能和作用进行分类。指令类型包括：
数据处理指令（Data Processing Instructions）
- 功能：进行算术、逻辑、位操作等处理。
- 例子：
- 加法：
ADD,SUB（加法、减法） - 位操作：
AND,OR,XOR（与、或、异或）
- 加法：
数据传送指令（Data Transfer Instructions）
- 功能：将数据从一个位置传送到另一个位置。
- 例子：
MOV: 将数据从一个寄存器或内存位置传送到另一个寄存器或内存位置。PUSH,POP: 将数据压入或从栈中弹出。
控制转移指令（Control Transfer Instructions）
- 功能：控制程序的执行流，如跳转、分支。
- 例子：
JMP: 无条件跳转。CALL: 调用子程序。RET: 从子程序返回。
条件分支指令（Conditional Branch Instructions）
- 功能：根据条件执行跳转，通常与标志位相关。
- 例子：
JZ: 如果零标志位为 1，则跳转（Zero Flag）。JNZ: 如果零标志位为 0，则跳转（Non-Zero Flag）。
输入/输出指令（I/O Instructions）
- 功能：处理外部设备的数据输入和输出。
- 例子：
IN: 从端口输入数据。OUT: 输出数据到端口。
中断指令（Interrupt Instructions）
- 功能：控制中断的触发和响应。
- 例子：
INT: 触发中断。IRET: 从中断返回。
寄存器控制指令（Register Control Instructions）
- 功能：操作寄存器，控制寄存器状态或转移数据。
- 例子：
NOP: 无操作指令，用于时间延迟等。CLC: 清除进位标志。
4. 典型 CPU 指令格式
在典型的CPU中，指令的格式通常由操作码（Opcode）和操作数（Operands）组成。以下是常见的指令格式设计模式：
1. 操作码 + 操作数格式（Most Common）
- 操作码（Opcode）：指定执行的操作，如加法、减法等。
- 操作数（Operands）：指定操作的对象，可以是寄存器、内存地址、常量等。
| 字段 | 说明 | 位数 |
|---|---|---|
| 操作码 | 执行的操作指令（如加法、减法等）。 | 通常 6-10 位 |
| 操作数1 | 第一个操作数（如寄存器或内存地址）。 | 通常 5-10 位 |
| 操作数2 | 第二个操作数（如果需要）。 | 可选，通常 5-10 位 |
| 寻址方式字段 | 指定如何获取操作数（寄存器、内存等）。 | 可选，通常 5-6 位 |
| 标志位（可选） | 用于处理条件跳转等操作。 | 可选 |
2. 典型 CPU 指令格式举例
Intel x86 指令格式：
- x86 指令格式具有多种变体，通常以操作码为主，并支持多种寻址方式，指令长度不固定。
- 例如，指令
MOV AX, BX（将BX的值复制到AX中），其中MOV是操作码，AX和BX是操作数。
RISC 架构（如 SPARC）：
- RISC 架构采用固定长度的指令格式，通常每条指令的长度为 32 位。
- 例如，SPARC 使用的是三种主要格式：R 型（寄存器型）、I 型（立即数型）、J 型（跳转型）。
5. Pentium II 架构的指令格式
Pentium II 是基于 x86 架构的微处理器，使用复杂的指令集（CISC）。它的指令格式通常包括以下部分：
- 操作码（Opcode）：指定要执行的操作。
- 寻址方式（Addressing Mode）：确定操作数的地址是直接给出的、寄存器、内存还是立即数。
- 操作数（Operand）：被操作的对象，可以是寄存器、内存地址或常量。
- 扩展位：Pentium II 还支持一些特殊的指令扩展，如 MMX 和 SSE 指令集。
例如，指令 MOV AX, [BX + 4]：
MOV是操作码。[BX + 4]是寻址方式，指示从BX寄存器加上 4 的内存地址中获取数据。AX是目标寄存器。
Pentium II 特有的指令扩展：
- MMX 指令集：专门用于多媒体和图形处理，支持并行处理多数据（SIMD）。
- SSE 指令集：支持浮点数运算和数据流处理，提供更高效的向量计算能力。
6. SPARC 架构的指令格式
SPARC（Scalable Processor Architecture）是一种基于 RISC 的处理器架构。SPARC 的指令格式相对简单且固定，通常为 32 位，并且具有三种主要格式：R 型（寄存器型）、I 型（立即数型）、J 型（跳转型）。
SPARC 指令格式：
| 字段 | 描述 | 长度（位） |
|---|---|---|
| 操作码（Opcode） | 指定操作类型（如加法、减法等） | 6 |
| 寄存器1 | 第一个操作数寄存器（源操作数） | 5 |
| 寄存器2 | 第二个操作数寄存器（源操作数） | 5 |
| 寄存器3 | 第三个操作数寄存器（目的寄存器） | 5 |
| 立即数 | 如果是立即数寻址模式，提供常量值 | 13 |
例子：
ADD R1, R2, R3：将寄存器R2和R3的值相加，结果存入寄存器R1。- 操作码：
ADD - 寄存器1（R1）：存储结果的寄存器
- 寄存器2（R2）：第一个源操作数
- 寄存器3（R3）：第二个源操作数
- 操作码：
LD [R1 + 4], R2：将内存中地址为R1 + 4的值加载到寄存器R2。- 操作码：
LD - 寄存器1（R1）：基地址寄存器
- 寄存器2（R2）：目标寄存器（加载数据）
- 操作码：
总结
- 指令类型：根据功能不同，CPU 指令可分为数据处理指令、数据传送指令、控制转移指令等。
- 典型 CPU 指令格式：包括操作码、操作数、寻址方式等部分，通常具有固定长度或可变长度。
- Pentium II：基于 x86 架构，支持 CISC 指令，指令格式较复杂，支持扩展指令集（如 MMX、SSE）。
- SPARC：基于 RISC 架构，指令格式简洁，固定长度，采用寄存器和立即数寻址，指令集简单高效。
第三章 微体系结构层
3.1 CPU的组成和功能（理解）
3.2 ALU和运算方法（掌握）
- ALU部件
- 定点运算加减乘除
- 浮点运算加减
- 十进制加减运算
1. 定点数的加减法与溢出判断
![[resouces/定点数除法.png]]
2. 定点数的移位
逻辑移位，循环移位，算术移位 逻辑移位、循环移位和算术移位是三种常见的位移操作，它们分别对二进制数据进行不同方式的移动和填充。
逻辑移位（Logical Shift）：逻辑移位通过将二进制数的位向左或向右移动，空出的位用零填充。左移时，二进制数的值会变大（相当于乘以 2），右移时，二进制数的值会变小（相当于除以 2）。逻辑移位不考虑符号位，因此适用于无符号整数的操作。
循环移位（Circular Shift）：循环移位是指在移位操作中，超出边界的位会回绕到另一端。例如，左循环移位时，移出左边的位会被放到右边的空位中，右循环移位时，移出右边的位会被放到左边的空位中。循环移位常用于加密算法和某些哈希算法中。
算术移位（Arithmetic Shift）：算术移位与逻辑移位类似，但它在右移时会保留符号位，即对于负数，右移时，符号位（最高位）会填充到空位，而不是零。这样保证了符号的正确性。左移时，算术移位与逻辑移位相同。算术移位常用于有符号整数的操作，尤其是涉及负数的情形。
总结来说，逻辑移位适用于无符号数，算术移位用于有符号数，循环移位则会将移出的位“回绕”到另一端。
3.3 CPU模型机的组成及数据通路（理解）
3.4 组合逻辑控制器原理（掌握）
3.5 微程序控制器原理（理解）
3.6 精简指令集计算机RISC（理解）
第四章 指令系统层
4.1 8086CPU
4.2 8086 CPU 的寄存器和主存
4.3 8086 CPU 指令系统
寻址方式
![[resouces/Pasted image 20241207145434.png]] ![[resouces/Pasted image 20241207145446.png]] ![[resouces/Pasted image 20241207145500.png]] ![[resouces/Pasted image 20241207145557.png]] ![[resouces/Pasted image 20241207145710.png]] ![[resouces/Pasted image 20241207145721.png]]![[resouces/Pasted image 20241207145740.png]] ![[resouces/Pasted image 20241207145807.png]] ![[resouces/Pasted image 20241207145828.png]] ![[resouces/Pasted image 20241207145844.png]] ![[resouces/Pasted image 20241207145912.png]] ![[resouces/Pasted image 20241207145949.png]] ![[resouces/Pasted image 20241207150001.png]] ![[resouces/Pasted image 20241207145323.png]]