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计算机的硬件组成结构

约 3052 个字 预计阅读时间 11 分钟

计算机有三大硬件组成部分

  • CPU:包含运算器，控制器，寄存器

  • 主存储器

  • I/O接口：辅助存储器，输入设备，输出设备

而汇编程序员将硬件抽象为

  • 寄存器

  • 存储器地址

  • 输入输出地址

寄存器(Register)

Info

寄存器是处理器内部的高速存储单元,用于暂时存放程序执行过程中的代码和数据

大致可以分成两类

  • 透明寄存器：对应用人员不可见，不能编程直接控制

  • 可编程（programmable）寄存器：具有引用名称，可以直接供编程使用

可编程寄存器又分为通用寄存器和专用寄存器

处理器通用寄存器

处理器最常使用整数通用寄存器，可以用于保存整数数据，地址等

32位的IA-32处理器具有8个32位通用寄存器

  • EAX，EBX，ECX，EDX，ESI，EDI，EBI，ESP
Register English Name Chinese Name
EAX Accumulator 累加器
EBX Base Address 基址寄存器
ECX Counter 计数器
EDX Data 数据寄存器
ESI Source Index 源变址寄存器
EDI Destination Index 目的变址寄存器
EBP Base Pointer 基址指针
ESP Stack Pointer 堆栈指针

源自16位8086处理器的8个16位通用寄存器（E为扩展，即extend）

  • AX，BX，CX，DX，SI，DI，BP，SP，前四个寄存器可分高低字节，形成8个8位的通用寄存器：AH,AL,BH,BL,CH,CL,DH,DL

这使得这些寄存器既是一个整体，又可以独立使用

图示

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处理器专用寄存器

专用寄存器主要有三类，标志寄存器，指令指针寄存器，段寄存器

标志（Flag）寄存器

什么是标志

标志体现了某种工作状态，有些处理器标志用于反映指令执行结果（加减是否进位借位，数据是否为0，正负），有些处理器标志用于控制指令执行形式（处理器是否单步操作，是否响应外部中断）

各种标志组合在一个专用寄存器形成标志寄存器，8086支持16位的标志寄存器FLAGS

IA-32处理器形成32位EFLAGS标志寄存器

  • 状态标志：记录指令执行结果的辅助信息，是处理器最基本的标志

    • 加减运算和逻辑运算指令主要设置他们
    • 其他有些指令的执行也会相应地设置他们
    • 处理器主要使用其中5个构成各种条件（分支指令判断这些条件实现程序分支）

  • 控制标志： 方向标志DF，仅用于串操作指令

  • 系统标志： 控制操作系统或核心管理程序的操作方式

指令指针寄存器EIP

用于保存 将要执行的指令在主存的存储器地址 ，相当于一个指向将要执行指令的指针

  • 在顺序执行时会自动增量，指向下一条指令

  • 分支，调用等操作时执行控制转移指令修改，引起程序到指定的指令执行

  • 在出现中断或者异常时被处理器赋值而相应改变

段寄存器

存储空间分段管理

“段”是保存相关代码或者数据的一个主存区域

应用程序主要涉及三类基本段

  • 代码段（Code Segment） 存放程序的可执行代码（处理器指令）

  • 数据段（Data Segment） 存放全局变量等程序所用的数据

  • 堆栈段（Stack Segment） 这是程序所需要的特殊区域，用于存放返回地址，临时变量等 alt text

段寄存器表明某个段在主存中的位置

根据各个段的首字母缩写来给相应的寄存器命名，共有6个16位寄存器

代码段 CS
堆栈段 SS
数据段 DS，ES（Extra segment），FS，DS

代码段的当前指令地址

  • 段基地址：由代码段寄存器CS保存
  • 偏移地址：由指令指针寄存器EIP保存

堆栈段的当前栈顶地址

  • 段基地址：堆栈段寄存器SS保存
  • 堆栈指针寄存器ESP保存

数据段的操作数地址

  • 段基地址：数据段寄存器DS指示，有时候也用ES，FS，GS指示
  • 偏移地址：没有专门的寄存器，由存储器寻址方式计算出的有效地址EA指示

编程采用的逻辑地址为 段基地址:偏移地址 的组合

  • 段基地址：在主存中的起始地址
  • 偏移地址：距离段基地址的便宜量
Info

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总结

寄存器分为不可编程的 透明寄存器 和 可编程寄存器 ，可编程寄存器又可以进行分类

分类 类型 寄存器
通用寄存器 32位通用寄存器 EAX EBX ECX EDX ESI EDI EBP ESP
16位通用寄存器 AX BX CX DX SI DI BP SP
8位通用寄存器 AH AL BH BL CH CL DH DL
专用寄存器 标志寄存器 EFLAGS
指令指针寄存器 EIP
段寄存器 CS DS SS ES FS GS

存储器组织

计算机硬件组成结构中的主存储器容量很大，被划分为许多存储单元，每个存储单元被编排一个号码，即存储单元地址，称为 存储器地址（Memory Address）

每个存储单元以字节为基本存储单位

  • 即字节编址（Byte Addressable）
  • 一个字节（Byte）等于8个二进制位（Bit）,两个字节称为字，两个字称为双字
  • IA-32有32位地址，可以访问 4GB 内存

存储器的物理地址

处理器连接的物理存储器使用物理地址

  • 从0开始顺序编排，直到其支持的最大存储单元

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存储管理单元和存储模型

高性能处理器集成有存储管理单元MMU，利用它进行主存储器空间管理

存储管理单元（Memory Management Unit, MMU）是计算机系统中的一个硬件组件，负责管理计算机的内存使用情况。它在CPU与物理内存（RAM）之间起到桥梁作用，主要职责有：

  • 地址转换（虚拟内存到物理内存映射） 程序并不直接寻址物理存储器 MMU将程序使用的虚拟地址（逻辑地址）转换为物理地址。这种地址转换通常是通过分页（paging）或分段（segmentation）机制来实现的。每个进程在自己的虚拟地址空间中运行，这样可以使多个进程共存于系统内存中而互不干扰。

  • 内存保护 MMU可以设置不同的权限（如读、写、执行）来保护内存区域，防止一个进程访问另一个进程的内存或操作系统内存，保障系统的安全性和稳定性。

  • 内存分配与回收 MMU协助操作系统在程序运行时分配和释放内存。它帮助管理物理内存的分配，以确保内存高效利用并减少碎片化。

  • 分页管理 MMU通过分页机制，将程序的虚拟内存划分为固定大小的块（称为页面），并将这些页面映射到物理内存的实际位置。这样可以有效地管理内存，并支持虚拟内存技术，使程序能够使用超过物理内存大小的内存空间。

  • 缓存管理 在一些高级系统中，MMU也参与管理CPU缓存（如L1、L2缓存）与内存之间的数据交换。它确定哪些数据应该留在缓存中以提高访问速度。

  • 异常处理 当程序试图访问无效的地址（如没有映射到物理内存的虚拟地址）时，MMU会产生一个异常（通常称为页面错误或缺页中断），通知操作系统处理这个情况，如分配新的内存页或从磁盘加载需要的数据。

IA-32 处理器的存储模型

  • 平展存储模型（Flat Memory Model）：存储器是一个连续的4GB线性地址空间
  • 段式存储模型（Segmented Memory Model）
    • 存储器由一组独立的地址空间组成：段（Segment）
    • 每个段都可以达到4GB
  • 实地址存储模型（Real-address Memory Model）
    • 8086处理器的存储模型（最大1MB）
    • 段式存储模型的特例（段最大64KB）

Example

存储器空间可以分段管理，采用逻辑地址指示

举个例子，有一幢楼，3层，每一层有10个房间，首先我们从第一层01开始编号到最后一个房间30

对于第二层第五个房间，物理地址是绝对地址:15，但是为了方便，它被称为205，这就是它的逻辑地址（相对地址）

三大地址的关系

程序员编程时采用逻辑地址，操作系统利用存储管理单元MMU将逻辑地址映射成线性地址（虚拟地址），处理器使用物理地址访问主存储器芯片

逻辑地址（Logical Address）

  • 定义: 逻辑地址是程序员在编写程序时使用的地址，由CPU在执行程序时生成。
  • 特点: 逻辑地址是相对于程序的起始地址的偏移量，与实际的物理内存位置无关。
  • 别名: 逻辑地址也被称为 虚拟地址（Virtual Address） 。在每个进程的上下文中，逻辑地址是唯一的。
  • 使用: 逻辑地址是在程序代码中使用的，比如指针或数组索引。它们是由编译器生成的，并且不会直接对应到物理内存的具体位置。

线性地址（Linear Address）

  • 定义: 线性地址是将逻辑地址转换成物理地址之前的一个中间地址。它是经过分段（segmentation）计算后的地址。
  • 特点: 线性地址是通过把逻辑地址和段寄存器（如CS、DS等）中的段基址相加得到的。
  • 使用: 在有些体系结构中，线性地址可能直接等于物理地址（如无分页机制的情况下），但是在大多数现代处理器中，线性地址通过分页机制进一步转换为物理地址。

物理地址（Physical Address）

  • 定义: 物理地址是内存单元在计算机实际物理内存（RAM）中的位置。它是CPU最终使用的实际地址。
  • 特点: 物理地址由线性地址经过分页（paging）机制转换而来，是指向实际内存芯片的地址。

  • 使用: 物理地址是由内存控制器使用的，用于访问实际的物理内存位置。

  • 逻辑地址到线性地址的转换（分段）:

  • 逻辑地址由程序生成，分为段选择器和段内偏移量。段选择器指向内存段描述符（存储在段寄存器中），而偏移量指向段内的具体位置。

  • MMU使用段选择器查找段基址，然后将段基址与偏移量相加，生成线性地址。
  • 公式:

$$ \text{线性地址} = \text{段基址} + \text{逻辑地址中的偏移量} $$

  1. 线性地址到物理地址的转换（分页）:

  2. 线性地址进一步通过分页机制转换为物理地址。分页机制将线性地址划分为多个固定大小的页面，线性地址中的页号部分用于查找页表（Page Table），得到物理页帧号。

  3. 线性地址的页内偏移量部分与物理页帧号组合形成物理地址。
  4. 公式:

$$ \text{物理地址} = \text{物理页帧号} + \text{页内偏移量}$$

  • 逻辑地址 是程序员或编译器使用的地址，描述的是虚拟内存中的位置。
  • 线性地址 是经过分段机制转换后的地址，是逻辑地址与段基址之和。
  • 物理地址 是存储器中实际访问的位置，由线性地址经过分页机制转换得到。