0x01 基礎知識

1.1 機器語言

• 機器語言是機器指令的集合。
• 機器指令是一列二進位制數字，計算機將其轉變為一列高低電平，使得計算機的電子器件受到驅動，從而完成運算。

上述計算機的功能由CPU（中央處理單元）來完成，是一種微處理器。

• 由於硬體設計和內部結構不同，就需要不同的電平脈衝控制，所以每一種微處理器都有自己的機器指令集，也就是機器語言。

1.2 組合語言的產生

由於機器語言難以辨別和記憶，組合語言產生了。

• 組合語言的主體的彙編指令。
  • 彙編指令是機器指令便於記憶的書寫格式。

操作：暫存器BX的內容送入AX。
機器指令：1000100111011000
彙編指令：mov ax, bx
 

• 計算機只能讀懂機器指令，故需要將彙編指令轉換為機器指令。
  • 編譯器負責將程式設計師寫出的彙編程式編譯為機器碼，再由計算機最終執行。

1.3 組合語言的組成

• 彙編指令（核心）
  • 機器碼的助記符，有對應的機器碼。
• 偽指令、其他符號（+、-、*、/）
  • 由編譯器執行，沒有對應的機器碼。

1.4 儲存器

• CPU是計算機的核心運算部件，需要向其提供資料和指令。
  • 資料和指令存放在儲存器（記憶體）中，故需要了解如何在CPU和記憶體之間交換資訊。

磁碟的資料和程式需要先讀入記憶體才能進而被CPU使用。

1.5 指令和資料

• 指令和資料是應用上的概念，本質都是二進位制資訊，沒有區別。

1000100111011000 -> 89D8H（資料）
1000100111011000 -> mov ax, bx（指令）

1.6 儲存單元

• 儲存器被分為若干個儲存單元。
  • 每個單元從0開始編號；
  • 儲存器的容量是以位元組為最小單位計算的。

磁碟的容量單位同記憶體一樣。

1.7 CPU對儲存器的讀寫

• CPU讀寫資料時必須和外部期間進行三類資訊互動。

  • 地址資訊：儲存單元的地址。
  • 控制資訊：器件的選擇、讀或者寫的命令。
  • 資料資訊：讀或者寫的資料。

• CPU通過匯流排和其他晶片傳輸資訊。

  • 匯流排就是一根根導線的集合。
  • 從邏輯上分為：地址匯流排、控制匯流排和資料匯流排。

• CPU從記憶體中讀/寫資料的過程。

  • CPU通過地址線傳送要讀寫的地址；
  • CPU通過控制線傳送讀/寫的命令；
  • 記憶體和CPU通過資料線互動資料：
    • 讀：記憶體向CPU傳輸目的地址的資料。
    • 寫：CPU向記憶體傳輸要存入到目的地址的資料。

1.8 地址匯流排

• CPU是通過地址線來指定儲存單元。
• 一個CPU有N跟地址線則稱其地址匯流排的寬度為N。
  • 此時CPU可以表示2的N次方個資訊，故最多可以定址2的N次方個記憶體單元。

1.9 資料匯流排

• CPU和記憶體之間的資料傳輸是通過資料匯流排完成的。
• 資料匯流排的寬度決定了資料傳輸速度。
  • 8根資料匯流排一次可以傳送1個位元組資料；
  • 16根資料匯流排一次可以傳送2個位元組資料。

1.10 控制匯流排

• CPU對外部器件的控制是通過控制匯流排完成的。
• 控制匯流排是一些不同控制線的集合。
  • 控制匯流排的寬度決定了CPU對外部器件的控制能力。

1.11 記憶體地址空間

• 地址匯流排寬度決定可定址的記憶體單元，構成CPU的記憶體地址空間。

1.12 主機板

• 每個電腦都有個主機板，放置核心器件和一些主要器件。
  • 器件之間通過匯流排相連。
  • 這些器件包括：CPU、儲存器、外圍晶片組、擴充套件槽等。
  • 擴充套件槽上一般有RAM記憶體條和各類[介面卡](#1.13 介面卡)。

1.13 介面卡

• CPU不能直接控制外部裝置，比如顯示器、音響、印表機等。
  • CPU通過匯流排向介面卡傳送命令，介面卡根據CPU的命令控制外設。

1.14 各類儲存器晶片

• 每個電腦裝有多個儲存器晶片，這些晶片物理上是獨立的。
• 從讀寫屬性上分為隨機儲存器（RAM）和只讀儲存器（ROM）。
  • 隨機儲存器：可讀可寫，掉電後內容丟失。
  • 只讀儲存器：只讀，關機後內容不丟失。
• 從功能和連線上分為以下幾類：
  • 主儲存器
    • 存放CPU使用的絕大部分程式和資料。
    • 由裝在[主機板](#1.12 主機板)上和擴充套件槽兩個位置上的RAM組成。
  • 裝載BIOS（基本輸入輸出系統）的ROM
    • BIOS是由主機板和各類介面卡廠商提供的軟體系統，可以利用硬體裝置進行最基本的輸入輸出。
  • 介面卡上的RAM
    • 某些介面卡需要對大批量輸入、輸出資料進行暫時儲存，故在其上裝RAM，例如視訊記憶體。

1.15 記憶體地址空間

• 儲存器的兩個相同點
  • 都和CPU匯流排相連。
  • CPU都是通過控制線發出讀寫命令。
• CPU操控儲存器時，將它們都當作記憶體對待，把他們看作一個若干儲存單元組成的邏輯儲存器。

每個物理儲存器在邏輯儲存器中佔有一個地址段。

• 基於硬體系統程式設計時，必須知道系統中的記憶體地址空間分配情況。
  • 向某個儲存器讀寫資料時，必須知道其第一個單元的地址和最後一個單元的地址，才能保證讀寫到目的儲存器。
  • 不同計算機系統的記憶體地址空間分配情況不同。