第1章 基础知识

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机器语言

  机器语言是机器指令的集合。电子计算机的机器指令是一列二进制数字。计算机由CPU来执行机器指令。

  每一种微处理器,由于硬件设计和内部结构的不同,都有自己的机器指令集,也就是机器语言。

汇编语言的产生

  机器语言难于辨别和记忆。于是汇编语言产生了。

  汇编语言的主体是汇编指令。汇编指令是机器指令便于记忆的书写形式。

  • 寄存器:简单地讲是CPU中可以存储数据的器件,一个CPU中有多个寄存器。
  • 编译器:程序员用汇编指令编写源程序,计算机执行的只有机器指令。所以需要有一个能够将汇编指令转换成机器指令的翻译程序,这样的程序我们称其为编译器。(这个相当于C语言编译过程中的汇编(将汇编指令转换为机器码)。)

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汇编语言的组成

  汇编语言由以下三类指令组成。

  1. 汇编指令:机器码的助记符,有对应的机器码。
  2. 伪指令:没有对应的机器码,由编译器执行,计算机并不执行。(伪指令例如:定义程序或数据块的起始地址)
  3. 其他符号:如+、-、* 、/ 等,由编译器识别,没有对应的机器码。   汇编语言的核心是汇编指令。

存储器

  要想让一个CPU工作,就必须向它提供指令和数据,指令和数据在内存中存放。磁盘不同于内存,磁盘上的数据或程序如果不读到内存中,就无法被CPU使用。

指令和数据

  指令和数据在内存或磁盘上没有任何区别,都是二进制信息。CPU在工作的时候把有的信息看作指令,有的信息看作数据。

存储单元

  存储器被划分成若干个存储单元,每个存储单元从0开始顺序编号。一个存储单元可以存储一个Byte,即8个二进制位。微机存储器的容量是以字节为最小单位来计算的。

  • 1KB = 1024B
  • 1MB = 1024KB
  • 1GB = 1024MB
  • 1TB = 1024GB

CPU对存储器的读写

  CPU要想进行数据的读写,必须和外部器件进行下面三类信息的交互。

  • 存储单元的地址(地址信息);
  • 器件的选择,读或写的命令(控制信息);
  • 读或写的数据(数据信息);   在计算机中专门有连接CPU和其他芯片的导线,通常称为总线。总线从物理上来讲,就是一根根导线的集合。根据传送信息的不同,总线从逻辑上又分为三类:地址总线、控制总线和数据总线

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  CPU从3号单元中读取数据的过程。

  1. CPU通过地址线将地址信息3发出。
  2. CPU通过控制线发出内存读命令,选中存储器芯片并通知它,将要从中读取数据。
  3. 存储器将3号单元中的数据8通过数据线送入CPU。

地址总线

  CPU是通过地址总线来指定存储器单元的。可见地址总线上能传送多少个不同的信息,CPU就可以对多少个存储单元进行寻址。

  一个CPU有N根地址线,则可以说这个CPU的地址总线的宽度为N。这样的CPU最多可以寻找2N2^{N}个内存单元。

  32根地址线,寻址范围0~23212^{32}-1,即4GB的内存空间。

数据总线

  CPU与内存或其他器件之间的数据传送是通过数据总线来进行的。数据总线的宽度决定了CPU和外界的数据传送速度。8根数据总线一次可传送一个8位二进制数据(即一个字节)。16根数据总线一次可传送两个字节。

控制总线

  CPU对外部器件的控制是通过控制总线来进行的。在这里控制总线是个总称,控制总线是一些不同控制线的集合。有多少根控制总线,就意味着CPU提供了对外部器件的多少种控制。所以,控制总线的宽度决定了CPU对外部器件的控制能力。

总结

  1. 汇编指令是机器指令的助记符,同机器指令一一对应。
  2. 每一种CPU都有自己的汇编指令集。
  3. CPU可以直接使用的信息在存储器中存放。
  4. 在存储器中指令和数据没有任何区别,都是二进制信息。
  5. 存储单元从0开始顺序编号。
  6. 一个存储单元可以存储8个bit,即8位二进制数。
  7. 每一个CPU芯片都有许多管脚,这些管脚和总线相连。也可以说,这些管脚引出总线。一个CPU可以引出3种总线的宽度标志了这个CPU的不同方面的性能。
  • 地址总线的宽度决定了CPU的寻址能力。
  • 数据总线的宽度决定了CPU与其他器件进行数据传送时的一次数据传送量
  • 控制总线的宽度决定了CPU对系统中其他器件的控制能力。

内存地址空间

  一个CPU的地址总线宽度为10,那么可以寻址1024个内存单元,这1024个可寻到的内存单元就构成这个CPU的内存地址空间

主板

  主板上有核心器件和一些主要器件,这些器件通过总线(地址总线,数据总线,控制总线)相连。这些器件有CPU,存储器,外围芯片组,扩展插槽等。扩展插槽上一般插有RAM内存条和各类接口卡。

接口卡

  cpu对外部设备不能直接控制(显示器,音响,打印机等)。

  接口卡插在主板的扩展插槽上。CPU通过总线向接口卡发送命令,接口卡根据CPU的命令控制外设进行工作。从而实现CPU对外设的间接控制。

各类存储器芯片

存储器芯片在物理连接上看是独立的、不同的器件,在读写属性上分为两类:随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。

  • RAM:可读可写,但必须带电存储,关机后存储的内容丢失。
  • ROM:只能读取不能写入,关机后其中的内容不丢失。 这些存储器在功能和连接上又可分为以下几类:
  • 随机存储器:主随机存储器一般由两个位置上的RAM组成:装在主板上的RAM和插在扩展插槽上的RAM。
  • 装有BIOS的ROM(Basic Input/Output System,基本输入/输出系统):BIOS是由主板和各类接口卡(例如显卡、网卡)厂商提供的软件系统。可以通过它利用该硬件设备进行最基本的输入输出。在主板和某些接口卡上插有存储相应BIOS的ROM。
  • 接口卡上的RAM:某些接口卡需要对大批量输入、输出数据进行暂时存储,在其上装由RAM。最典型的是显卡上的RAM,一般称为显存。 image.png

内存地址空间

上述那些存储器,在物理上是独立的。在以下两点上相同

  1. 都和CPU的总线相连。
  2. CPU对它们进行读或写的时候都通过控制线发出内存读写命令。

  CPU把它们总的看作一个由若干存储单元组成的逻辑存储器,这个逻辑存储器就是我们所说的内存地址空间。

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  CPU在这段地址空间中读写数据,实际上就是在相应的物理存储器中读写数据。内存地址空间的大小受CPU地址总线宽度的限制。

  对CPU来讲,系统中的所有存储器中的存储单元都处于一个统一的逻辑存储器中,它的容量受CPU寻址能力的限制。这个逻辑存储器即是我们所说的内存地址空间。