计算机组成原理的学习笔记(1)--概述

一、hello.c如何运行起来？

1. 预处理阶段

• 在编译 C 程序时，预处理器首先处理代码。预处理器会：

  • 插入头文件：例如，当在代码中使用 #include <stdio.h> 时，预处理器会将 stdio.h 中的内容插入到源代码中。这样，编译器在处理时就得到了所有必要的函数声明和宏定义。

  • 宏替换和条件编译：将所有的宏定义替换为实际值，并处理任何条件编译的指令（如 #ifdef）。

2. 编译阶段

• 在预处理完成后，源代码被传递给编译器进行编译：

  • 生成汇编代码：编译器根据插入的头文件内容以及主程序生成汇编代码，在这一阶段，编译器已经知道程序中需要调用哪些函数（比如 printf），当编译器解析完成的代码时，遇到

    MyPrint

    等函数调用时，编译器会查看之前包含的头文件，以识别该函数的声明，比如：

    void MyPrint(char* x);

    此时，编译器知道MyPrint函数的参数类型和返回类型，但并不知道其具体的实现位置（内存空间中的位置），于是我们需要进行链接。

4. 链接阶段

• 当编译完成后，链接器负责将目标文件与其他目标文件和库合并：

  • 符号解析：链接器检查目标文件中的所有符号（如函数调用），并寻找它们在其他目标文件或库中的定义。例如，printf 函数的实现通常在 C 标准库中。

  • 地址分配：链接器为所有函数、变量和程序段分配实际内存地址。

  • 重定位：对于目标文件中的调用指令，链接器会将它们更新为实际的内存地址，使得在运行时这些调用能够正确指向其实现的实体部分。

小总结

在整个过程中，预处理器将头文件的内容插入到源代码中，使编译器能够识别所有需要的函数。然而，在这一阶段，编译器并不知道这些函数的实际实现位置。链接的主要目的是解析这些函数（和变量）引用的地址，确保在最终可执行文件中，所有调用都能够正确链接到其实现。这样，程序在运行时就能够顺利执行所有的函数调用，功能才能正常运作。

二、计算机硬件的工作流程

1.指令取出的流程

组件解释

• PC (Program Counter):

  • 程序计数器是一个寄存器，存储下一条将要执行指令的地址。每当 CPU 取出一条指令后，PC 会更新为下一条指令的地址。

• MAR (Memory Address Register):

  • 内存地址寄存器，用于存储当前要从内存中读取或写入的地址。当从内存中取指令时，PC 的内容会传送到 MAR。

• M (Memory):

  • 主存储器，通常是随机存取存储器（RAM）。它用于存储程序和数据。MAR 指定的地址中的内容即为存储的指令或数据。

• MDR (Memory Data Register):

  • 内存数据寄存器，用于临时存储从内存中读取的数据或准备写入内存的数据。当通过 MAR 指定的地址访问内存时，读取的数据将首先存储到 MDR 中。

• IR (Instruction Register):

  • 指令寄存器，存储当前正在执行的指令。当从 MDR 中获取到指令后，这条指令将被加载到 IR 中以进行解码和执行。

关于老师所讲到的顺序，整个指令取出和执行流程可以描述如下：

• 取指:

  • CPU 从 PC 读取下一条指令的地址并将其传送到 MAR：

    PC -> MAR

• 访问存储器:

  • 通过 MAR 指定的地址，CPU 发出读取命令，从内存中获取数据（指令）：

    M[MAR] -> MDR

  • 这里 M[MAR] 表示从内存中的 MAR 地址读取数据，并将其存储到 MDR 中。

• 加载指令:

  • 当指令从内存读入 MDR 后，它被传送到 IR 进行处理：

    MDR -> IR

• 执行指令:

  • PC 增加以准备下一条指令的读取，IR中的指令被解码和执行。

2.分析指令

OP(IR)->CU

组件解释

• 操作码（OP）

  • 操作码是指令中用于指定要执行的操作的部分。例如，它可以指示进行加法、减法、存储、加载或逻辑运算等操作。

• 控制单元（CU）

  • 控制单元是中央处理器（CPU）中的一个重要组成部分，负责协调和控制计算机的操作。它从指令寄存器（IR）中获取操作码，并根据其内容生成相应的控制信号。

1. 指令提取：当 CPU 从内存读取指令后，这指令被加载到指令寄存器（IR）中。

2. 操作码提取：IR 中的操作码部分被提取出来，准备传递给控制单元。这可以是一条指令的开头部分，表示要执行的操作。

3. 解码：CU 接收到操作码后，开始解码过程，并判断应该执行什么操作。

4. 产生控制信号：CU 根据操作码生成对应的控制信号，指示 ALU、寄存器、内存和其他硬件单元该如何操作。

3.执行指令

组件解释

1. IR (Instruction Register):

   • 指令寄存器，用于存储当前正在执行的指令。它包含指令的操作码和地址。

2. MAR (Memory Address Register):

   • 内存地址寄存器，用于存储当前要访问的内存地址。它可以接收来自 IR 的地址部分。

3. M (Memory):

   • 主存储器，存储程序和数据。通过 MAR 指定的地址访问存储器，读取相应的内容。

4. MDR (Memory Data Register):

   • 内存数据寄存器，用于临时存储从内存中读取的数据，或者准备写入内存的数据。

5. ACC (Accumulator):

   • 累加器，通常用于存储运算的结果或中间值，负责执行算术和逻辑运算。

流程说明

• 1. 指令地址提取

  • 从指令寄存器（IR）提取出要访问的地址（Ad）部分，然后将这个地址加载到内存地址寄存器（MAR）中。这一步通常是指令解码的一部分。

  Ad(IR) -> MAR

• 2. 访问内存

  • MAR 中的地址现在指向特定的内存位置，CPU 发出请求以从该地址读取数据（指令的操作数或者其他数据）。

    MAR -> M

• 3. 存储读取的数据

  • 从内存读取的数据将被加载到内存数据寄存器（MDR）中，MDR 临时存储着这些数据，待后续使用。

  M ->MDR

• 4. 数据转存到累加器

  • 最终，数据从内存数据寄存器（MDR）转移到累加器（ACC）中。此时，ACC 可以用于进一步的算术运算或逻辑运算。

  MDR -> ACC

PC更新

• 顺序执行：在执行完一条指令后，PC 会自动增加，通常增加的值等于指令的长度（例如，对于 4 字节长的指令，PC 增加 4），指向下一条顺序执行的指令。

• 跳转指令：如果当前指令是跳转指令，PC 将更新为指定跳转目标的地址，而不是顺序增加。

总结

​ 关于这个笔记，我详细记录了有关工作运行逻辑的内容，对于概念之类的涉及较少，有需要可以去b站上看尚硅谷原视频，那里有更详细的关于概念的讲解。