汇编语言、指令执行、CPU寄存器和内存
Execution of instructions
- 指令执行
取指-执行循环(fetch-execution cycle)：
• CPU遵循“取指-执行”循环。取指阶段对于所有指令都是一致的，而执行阶段则取决于指令的类型。
指令类型：
• CPU使用不同类型的指令，这些指令可以组合起来完成复杂的计算。
• 指令还用于实现**高级语言（HLL）**的结构，如循环、条件语句等。
CPU与指令(instruction)
• 每个CPU都有一组独特的指令集，这些指令以二进制机器码的形式表示。
• 虽然每种CPU的指令集可能不同，但指令执行的一般原理是相似的。
• 本讲座重点讨论 Pentium CPU 系列。(Pentium family of CPUS)
Assembly language and assembler
- 汇编语言与汇编器
为了更深入地研究程序是如何被执行的，我们将为Pentium处理器编写一些简单的程序。我们将这些程序以Pentium机器代码的助记形式来编写。这种助记形式的代码被称为汇编语言。
助记符形式(Mnemonic form)：
• 与直接使用机器码不同，程序员可以使用助记符形式，即汇编语言，它是机器码的可读版本。
汇编器：
• 汇编器是一种将汇编语言转换为二进制机器码(binary machine-code)（也称为目标代码）的程序。
• 汇编器还会为内存地址生成标签(labels)，使程序能够重定位。
Label
- 汇编语言中使用标签（Labels）来表示内存地址。
- 标签用于指示程序中的某些关键点，帮助程序在执行时能够准确跳转或引用特定内存地址。
- 通常，标签用于循环(loop)的开始，或内存块(a block of memory cells)的起点。
可重定位性（Relocatable Programs）：
• 为了执行程序，必须将其加载到主存储器的某个位置。
• 程序必须具有可重定位性，这意味着程序可以在内存的不同位置执行，而不会因为内存地址的改变而出现错误。
对象文件（Object File）：
1.汇编器将汇编语言翻译成二进制机器码，这种机器码保存在一个对象文件中。
2.对象文件包含：
• 二进制机器码。
• 编译后生成的中间代码，尚未形成完整的可执行程序。
链接器（Linker）：
- 有时，多个对象文件需要通过链接器连接在一起，生成最终的可执行文件或库文件。
- 链接器的作用是将多个对象文件组合起来，处理外部引用，使程序可以正常运行。
• Program must be relocatable
• Produces a binary machine object code program(object file)
(对象代码是编译过程中的一个中间产物，它包含了机器代码和一些未解决的引用，通常需要链接器（linker）来处理这些引用，并生成最终的可执行程序)
Main memory,RAM
-
主存储器与RAM
内存 vs 外存：
• 内存（主存储器）：用于临时存储程序和数据，速度快，容量相对较小。例如：RAM。
• 外存（辅存）：用于长久存储数据，即使断电数据也不会丢失。外存包括硬盘驱动器（HDD）、固态硬盘（SSD）等。主存储器：
• CPU只能执行存储在主存储器（RAM）中的指令。内存是用于存储当前正在执行的指令和数据的地方。主存储器提供了CPU执行程序的工作区
RAM（随机存取存储器）：
Random Access Memory
• RAM允许以随机方式存取存储的数据，这意味着CPU可以直接访问内存中的任何位置，而无需按顺序读取。
• 与顺序访问存储器（Sequential Access Memory）不同，RAM允许快速访问存储在任意位置的数据，而不需要逐个遍历前面的数据块。
• 举例：在顺序存储介质中（如磁带），访问末尾的数据需要经过所有前面的数据块，而在RAM中，无论数据存储在哪里，访问时间都是相同的。
RAM的结构与特性
1. 存储单元：
• 主存储器可以看作是一组编号的存储单元(numbered storage elements)，每个存储单元被称为一个字（word）。每个“字”可以存储一些信息。
2. 地址编号：
• 每个存储单元都有一个唯一的地址，可以通过该地址访问存储在单元中的数据。
3. 随机访问：
• RAM的特点是可以直接访问任何存储单元，而不必依赖前面的存储单元（without touching the preceding words)。这就是所谓的“随机访问”(Random Access)，即访问内存的时间不受位置影响。
4. 访问时间相同：
• 不论访问的是哪个存储单元，访问时间对于所有存储单元都是相同的。这是RAM的重要特性之一。
Words,bytes and bits
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字、字节和位
字（Word）：
• 内存的基本存储单位(elementary storage elements/memory cells)是“字”。每个字由多个存储单元（称为位bit）组成，常见的字长为32位或64位。
字节（Byte）：
• 字节是由8个位（bit）组成的基本存储单位。大多数计算机使用字节来表示和处理数据。
CPU Register in Pentium
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Pentium CPU寄存器
CPU寄存器：
• CPU包含多个寄存器，用于处理数据和存储内存地址。寄存器是CPU内部的高速存储器，能够非常快速地存取数据。
常见的寄存器包括：
• EAX（累加器accumulator）：用于算术和逻辑操作。某些指令默认使用累加器。
• EBX（基址寄存器base register）：用于存储数据结构（如数组）的基址。
• ECX（计数寄存器count register）：通常用于循环中的计数操作。
• EIP（指令指针instructioin pointer）：存储下一条要执行指令的内存地址。
• ESI（源索引寄存器）和EDI（目标索引寄存器）：用于字符串或数组的操作，分别指向源和目标地址。
EAX registerer, Accumulator
隐式使用：在某些指令（如MUL和DIV）中，EAX寄存器被默认使用为累加器，程序员不需要显式(explicitly)地写出使用它。
• 分块访问：EAX寄存器可以被按不同大小的块(bit chunk)访问：
• AL：最低8位。
• AH：次低8位。
• AX：16位。
• EAX：32位（全寄存器）。
这使得EAX寄存器非常灵活，可以处理从小到大的数据量。
Examples of instructions using EAX
在汇编指令中使用EAX寄存器。
• MOV EAX, 1234H：
将常量值1234H（十六进制值，等于十进制的4660）加载到EAX寄存器中。这是一条数据传输指令，表示将数据移动到累加器中。
• INC EAX：
将EAX寄存器中的值加1。这是一条加法指令，用于对EAX寄存器中的值进行自增操作。
• MOV maxval, EAX：
将EAX寄存器中的值存储到内存变量maxval中。这里展示了如何将寄存器中的数据移动到内存中。
• DIV CX：
使用16位寄存器CX中的值对累加器EAX中的值进行除法运算。这是一条算术指令，展示了如何对累加器中的数据进行数学操作。
1. EBX: Base Register
• EBX 是一个基址寄存器，通常用来存储数据结构（如数组）在内存中的基地址。
• 指令示例：
• LEA EBX, marks: 将变量 marks 的地址加载到 EBX 中。
• MOV AL, [EBX]: 使用 EBX 作为内存指针(pointer)，获取 1 字节的值并存储到 AL 寄存器中。
2. ECX: Count Register
• ECX 是用于循环计数的寄存器。通常用于循环中，自动递减。
• 指令示例：
• MOV ECX, 100: 初始化 ECX 为 100，用于 for 循环的计数器。
• LOOP for1: 每次循环递减 ECX，测试是否为零，如果不为零则跳转回 for1。
3. EIP: Instruction Pointer
• EIP（指令指针）保存着下一条要执行的指令的地址。它通常也被称为程序计数器（Program Counter）。
• 指令示例：
• JMP mylabel: 将新的地址加载到 EIP 中，程序将跳转到指定的地址 mylabel。
4. Further Registers: ESI, EDI
• ESI: 源索引寄存器，常用于字符串或数组操作中的源地址。
• 指令示例：
• MOV AX, [EBX + ESI]: 使用 EBX 作为基地址，ESI 作为索引，获取 16 位的数据并存储到 AX 寄存器中。
• EDI: 目的索引寄存器，常用于字符串或数组操作中的目标地址。
• 指令示例：
• MOV EAX, [ESI]: 将 ESI 寄存器中的 32 位值移动到 EAX 寄存器中。
• MOV [EDI], EAX: 将 EAX 中的值存储到 EDI 指定的内存位置。
5. Further Registers: ESP, EBP
• ESP: 栈指针（Stack Pointer），指向栈顶。
• EBP: 栈基址指针（Stack Base Pointer），通常用于访问栈中的局部变量。
这些寄存器在汇编语言中非常重要，用于执行各种运算、内存操作和控制流程。
Q&A
- execute 阶段是否对所有指令类型都相同？
• 解释：在CPU执行指令时，不同类型的指令（如算术运算、跳转指令等）的执行阶段可能不同。例如，加法指令与跳转指令所执行的操作本质上不同，因此这句话是False。
- 汇编器将汇编语言翻译成哪种形式？
• 解释：汇编器会将汇编语言转换为机器代码（Machine Code），这是一种CPU可以直接理解和执行的二进制指令。
- 汇编器将标签与什么关联？Assembler associates labels with
• 解释：汇编器将标签与内存地址关联。标签通常用于表示跳转或循环的目标位置，帮助程序找到相应的内存位置。
- CPU只能执行加载到主存储器（RAM）中的指令（True or False）？
• 解释：这是True。CPU只能执行那些已经被加载到RAM中的指令，因为CPU无法直接从磁盘等辅助存储器中读取和执行指令。
- RAM的所有存储单元的访问时间是否相同（True or False）？
• 解释：这是True。RAM中的所有单元都是随机访问的，意味着访问任意单元的时间是相同的，而不像顺序访问存储器（如磁带）那样依赖于数据的位置。
6.MOV EBX, [EBX] 指令的含义是什么？
• 解释：这条指令将EBX寄存器的值作为地址，从该地址处取出值并存入EBX寄存器中。因此，EBX首先表示一个内存地址，然后将该内存地址中的值赋给自己。这种操作类似于“解引用”指针。
• 副作用：该指令会覆盖掉EBX中的原始值，EBX不再保存原本的地址，而是变成该地址处的内容。
7.JNZ L2是什么意思？
• 解释：JNZ是汇编中的“跳转如果不为零”（Jump if Not Zero）指令。它表示如果零标志（ZF）位没有被设置（即结果不为零），程序就会跳转到标签L2所指示的内存地址处。
• 编译错误：如果L2没有在代码中定义，编译器会报错，因为它找不到需要跳转的位置。
8.MOV maxval, loc1是否为有效的汇编代码？
• 解释：这取决于loc1和maxval是否已被**定义为有效的内存地址或寄存器**。如果它们没有被正确定义，那么这条指令可能会报错，无法编译通过。