4

2

为什么间接寻址相对直接寻址可扩大寻址范围

假设：

计算机的指令字长16位，其中地址字段占8位（直接寻址时）。

存储器的地址总线宽度为16位（即最大寻址范围是64KB）。

内存单元存储的数据宽度也是 16位（即每个单元能存一个地址）。

直接寻址的局限性
若采用直接寻址，地址字段仅8位，可直接寻址的范围是 2⁸ = 256个单元（如0x00~0xFF）。

这远小于存储器实际的64KB（16位地址）范围，造成了浪费。

间接寻址的解决方式
间接寻址的地址字段（8位）不直接表示操作数地址，而是指向一个内存单元，该单元中存储了完整的16位操作数地址。

例如：

指令中的地址字段为 0x40（8位）。

CPU先访问内存单元 0x40，读取其中存储的 16位地址（如 0xA010）。

最终操作数位于 0xA010（16位地址，突破了8位限制）。

3

x86架构与ARM架构

特性 x86 ARM
指令集 CISC（复杂指令） RISC（精简指令）
功耗较高（性能优先）较低（能效优先）
主导领域 PC、服务器、高性能计算移动设备、嵌入式、IoT
生态 Windows/Linux主流 Android/iOS主导

cmp v.s. test

CMP vs TEST 核心区别
指令底层操作主要用途影响的关键标志位
CMP OP1 - OP2 比较数值大小 ZF, CF, SF, OF
TEST OP1 & OP2 检查位模式或判断零值 ZF, SF

关键标志位：

ZF=1：两数相等（OP1 == OP2）。

CF=1：无符号数 OP1 < OP2。

SF≠OF：有符号数 OP1 < OP2。

test

ZF=1：结果为零（所有位按位与后为0）。

SF=1：结果的最高位为1（负数）。

概述：

计算机系统导论

层次结构

硬件层次

冯诺依曼思想

五大组成硬件

软件层次

分为系统软件与应用软件

三个级别的语言、各种翻译程序的概念、翻译的四个阶段

计算机系统层次结构

性能指标

数据表示与运算

不同进制数之间的转换

原码、反码、补码、移码之间的表示与转换

运算方法与运算电路

带标志加法器、算数逻辑单元、加减运算电路、乘法运算电路、除法运算电路

定点数的移位、加减、乘除运算

浮点数的表示与运算

计算机系统的层次结构

层级	名称	关键功能	记忆口诀
M4	高级语言层	程序员编写的代码（如 C、Python），需编译成下层语言。	“写代码“
M3	汇编语言层	将高级语言编译为汇编指令（如 `MOV AX, 5`），再翻译为机器码。	“翻译成汇编“
M2	操作系统层	用机器语言实现操作系统功能（如进程调度、内存管理）。	“OS 干活“
M1	传统机器语言层	CPU 直接执行的二进制指令（如 `10110000`），是软硬件分界线。	“硬件能懂“
M0	微程序机器层	用微指令（更低级的控制信号）解释机器指令，由硬件直接执行。	“硬件细节“

汇编语言与机器语言在ARM与x86上的表现

操作	x86 汇编指令	x86 机器指令（二进制）	ARM 汇编指令	ARM 机器指令（二进制）
将 5 存入寄存器	`MOV AL, 5`	`10110000 00000101`	`MOV R0, #5`	`1110001110100000 00000101`
加法（寄存器+1）	`ADD AX, 1`	`00000100 00000001`	`ADD R0, R0, #1`	`1110000010000000 00000001`

关键点：

x86：变长指令（1~15 字节），复杂寻址模式，兼容性强。
ARM：定长指令（4 字节），精简指令集（RISC），能效高。
同一操作在不同架构下的机器码和汇编指令完全不同，这是系统结构的影响

数据通路宽度

指CPU内部一次能处理的二进制位数，即ALU（算术逻辑单元）和寄存器之间的数据传输位数。ALU位数通常等于机器字长

机器字长一般与CPU中通用寄存器的位数有关

通用寄存器：CPU中用于暂存数据和地址的存储单元，其位数通常等于机器字长。

示例：
32位CPU的通用寄存器（如EAX）是32位。
64位CPU的通用寄存器（如RAX）是64位。

对用户透明/不透明的寄存器（无需/需要程序员直接操作）

对用户透明的寄存器

指令寄存器（IR）

存储当前正在解码的指令，完全由硬件控制。

对用户不透明的寄存器

通用寄存器（如x86的EAX、ARM的R0-R12）

存储运算数据或地址，程序员需显式使用（如MOV EAX, 5）。

状态寄存器（FLAGS / CPSR）

包含条件码（零标志、进位标志等），程序员需通过分支指令（如JZ）或显式读写（如PUSHF）来使用。

特殊情况

**程序计数器（PC）**的透明性：分场景讨论

大多数情况下透明（由硬件自动管理）

普通顺序执行：CPU自动递增PC，程序员无需干预。

特定情况下不透明（程序员需显式操作）

汇编编程：直接通过指令修改PC（如x86的JMP、ARM的BX）。

周期的差异与比较

周期类型	定义	组成关系	典型场景	示例
时钟周期	CPU时钟信号的一个完整振荡周期（CPU频率倒数）	最小单位时间	所有硬件同步操作的基础	2GHz CPU → 时钟周期=0.5ns
CPU周期	完成一个基本操作的时间（如取指、执行）	1个CPU周期 = 多个时钟周期	非流水线CPU的指令分阶段执行	取指周期=4时钟周期，执行周期=3时钟周期
指令周期	执行一条完整指令所需的时间	1个指令周期 = 取指+解码+执行+访存+写回	衡量CPU处理单条指令的速度	简单指令CPI=1，复杂指令CPI>1
中断周期	处理硬件/软件中断请求的完整流程时间	中断周期 = 保存现场+执行中断服务程序+恢复现场	外设请求、异常处理	键盘输入触发中断，耗时约10-100时钟周期
机器周期	CPU执行一条指令所需的基本时间单位，通常由多个时钟周期（Clock Cycles）组成	一个机器周期包含以下阶段：取指、译码、执行、访存、写回

计算机中，CPU 的 CPI 与下列（A）因素无关。

A. 时钟频率B. 系统结构C. 指令集D. 计算机组织

RISC（精简指令集）通常 CPI 较低（接近 1）。CISC（复杂指令集）某些指令可能需要多个周期（CPI > 1）。
CPI 取决于 CPU 的架构、指令集和微架构优化，但与时钟频率无关。时钟频率影响的是指令的执行速度（时间），而不是每条指令所需的周期数（CPI）。

0的表示

1. 原码（Sign-Magnitude）

+0：00000000（最高位 0 表示正，其余位为数值 0）
-0：10000000（最高位 1 表示负，其余位为数值 0）
特点：原码有 +0 和 -0 两种表示。

2. 反码（Ones’ Complement）

+0：00000000（与原码相同）
-0：11111111（负数的反码是对其绝对值的原码逐位取反）
特点：反码也有 +0 和 -0 两种表示。

3. 补码（Two’s Complement）

+0：00000000（与原码相同）
-0：补码规定 0 只有一种表示，即 00000000，而 10000000 表示 -128（8位补码的最小值）。
特点：补码 没有 -0，使得表示范围比原码和反码多一个数（-128）。

4. 移码（Excess-K，通常用于浮点数阶码）

移码 = 真值 + 偏移量（通常 ( K = 2^{n-1} ) 或 ( 2^{n-1}-1 )）
以 偏移量 ( K = 128 )（8位移码）为例：
- +0：0 + 128 = 128 → 10000000
- -0：-0 + 128 = 128 → 10000000
特点：移码 没有 +0 和 -0 的区别，统一表示为 10000000。
王道计组2-1-5-24

“当且仅当” 的含义

A ⇔ B（A 和 B 完全等价）

在逻辑和数学中，“当且仅当”（if and only if，缩写为 iff）表示两个命题在逻辑上完全等价，即：

如果 A 成立，那么 B 一定成立（A ⇒ B）
如果 B 成立，那么 A 也一定成立（B ⇒ A）

CF中的Cout

加法时：最高位产生进位：Cout = 1
减法时：最高位不够减，借一：Cout=0
Cout异或Sub = CF
CF只对无符号数有意义

关于2的理解：计算 000 - 111（3位无符号数）
计算过程（用补码实现减法）：
减法 A - B 可通过 A + (−B) 完成，其中 −B 用二进制补码表示：求 B（111）的补码（即 -B）：按位取反：111 → 000
加 1：000 + 1 = 001（-7 的补码）。计算 000 + 001 = 001（直接相加，无进位,则Cout=0）。

关键点：补码减法的 Cout 需要额外判断。