【计算机组成原理】学习笔记——总目录

引言

打孔卡（Punched Card）【打孔卡，其实就是一种存储程序型计算机。】

现在使用的计算机，只能处理“机器码”，即一连串的0和1。

一、在软硬件接口中，CPU帮我们做了什么？

1、CPU:计算机的大脑，全程Central Processing Unit，中央处理器。

• 从硬件角度讲，CPU是一个超大规模的集成电路，通过电路实现加法、乘法及各种处理逻辑。
• 从软件工程师角度讲，CPU就是一个执行各种计算机指令（Instruction Code）的逻辑机器。【计算机指令：一门CPU能够听得懂的语言，可以叫做“机器语言”（Machine Language）】

2、不同的CPU能够听懂的语言不一样。
Intel（Windows）、ARM(苹果手机)有各自支持的语言，有两组不同的计算机指令集（Instruction Set）【“Set”：数学上的集合，代表不同的单词、语法】

3、一个计算机的程序，由成千上万条指令组成。平时是存储在存储器中的。
这种程序指令存储在存储器里面的计算机，我们就叫作存储程序型计算机（Stored-program Computer）。

4、非存储程序型的计算机【“插线板计算机”】
Plugboard Computer 的计算设备。我把它直译成“插线板计算机”。
在一个布满了各种插口和插座的板子上，工程师们用不同的电线来连接不同的插口和插座，从而来完成各种计算任务。

二、从编译到汇编，代码怎么变成机器码？

// test.c
int main()
{
  int a = 1; 
  int b = 2;
  a = a + b;
}
1
2
3
4
5
6
7

1、编译过程

• C语言程序—>汇编语言【ASM，Assembly Language】程序

• 汇编语言【ASM，Assembly Language】程序—>机器码【Machine Code】(由0和1组成，即一条条的计算机指令。这样一串串的16进制数字，是CPU真正认识的计算机指令。)

• 

从高级语言到汇编代码，再到机器码，就是一个日常开发程序，最终变成了 CPU 可以执行的计算机指令的过程。

三、解析指令和机器码

1、我们日常用的 Intel CPU，有 2000 条左右的 CPU 指令，常见的指令可以分成五大类：

1. 算术类指令。我们的加减乘除，在 CPU 层面，都会变成一条条算术类指令。
2. 数据传输类指令。给变量赋值、在内存里读写数据，用的都是数据传输类指令。
3. 逻辑类指令。逻辑上的与或非，都是这一类指令。
4. 条件分支类指令。日常我们写的“if/else”，其实都是条件分支类指令。
5. 无条件跳转指令。写一些大一点的程序，我们常常需要写一些函数或者方法。在调用函数的时候，其实就是发起了一个无条件跳转指令。
   

2、MIPS 指令集

MIPS 的指令是一个 32 位的整数，高 6 位叫操作码（Opcode），也就是代表这条指令具体是一条什么样的指令，剩下的 26 位有三种格式，分别是 R、I 和 J。

• R 指令是一般用来做算术和逻辑操作，里面有读取和写入数据的寄存器的地址。如果是逻辑位移操作，后面还有位移操作的位移量，而最后的功能码，则是在前面的操作码不够的时候，扩展操作码表示对应的具体指令的。

• I 指令，则通常是用在数据传输、条件分支，以及在运算的时候使用的并非变量还是常数的时候。这个时候，没有了位移量和操作码，也没有了第三个寄存器，而是把这三部分直接合并成了一个地址值或者一个常数。

• J 指令就是一个跳转指令，高 6 位之外的 26 位都是一个跳转后的地址。

add $t0,$s2,$s1
1

我以一个简单的加法算术指令 add t0,s1, $s2, 为例，给你解释。为了方便，我们下面都用十进制来表示对应的代码。

对应的 MIPS 指令里 opcode 是 0，rs 代表第一个寄存器 s1 的地址是 17，rt 代表第二个寄存器 s2 的地址是 18，rd 代表目标的临时寄存器 t0 的地址，是 8。因为不是位移操作，所以位移量是 0。把这些数字拼在一起，就变成了一个 MIPS 的加法指令。

为了读起来方便，我们一般把对应的二进制数，用 16 进制表示出来。在这里，也就是 0X02324020。这个数字也就是这条指令对应的机器码。

回到开头我们说的打孔带。如果我们用打孔代表 1，没有打孔代表 0，用 4 行 8 列代表一条指令来打一个穿孔纸带，那么这条命令大概就长这样：

总结【个人总结的重点】

• 理解编译过程：程序—>汇编语言—>机器码
• 了解不同的CPU有不同的指令集（不同的语言系统），所以Window是上写的程序，不能在苹果手机上运行，因为语言不通。
• 了解汇编语言指令分类【5大类】：算术类指令、数据传输类指令、逻辑类指令、条件分支类指令、无条件跳转指令
• 了解MIPS指令集【R、I、J指令】的工作原理：其实就是把各种信息组合到一起（不同信息由不同的数表示【0和1 的组合】），最后生成相应的16进制数，即机器码。
• 了解早期打孔机的工作原理，用一系列的0和1来组成16机制的数字，即各种指令，实现相应的指令。
• 可以分清：存储程序型计算机【将程序存储在存储器中】 和 非存储程序型计算机【早期的““插线板计算机””】

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