深入理解计算机系统复习系统c++源代码

HNU君陌

此为本人在大二下学期准备深入理解计算机系统时于闲暇时间所创，里面有部分本人自己的理解，仅供参考。此系统包含c++代码和八个txt文件，支持dev编译运行。

c++主程序源码：

#include 
#include 
#include  
using namespace std;
int main()
{
	ifstream ou;
	string a,b;
	system("color F0"); 
	cout<<"******************************"<<endl;
	cout<<"  欢迎来到计算机系统复习系统\n"<<endl;
	cout<<"        制作人：方寸谛"<<endl;
	cout<<"     制作时间：2019.4.21"<<endl;
	cout<<"******************************"<<endl;
	Sleep(1000);
	A:
	system("cls");
	cout<<"请选择复习模块："<<endl;
	cout<<"1、信息的表示和处理"<<endl;
	cout<<"2、整数表示"<<endl;
	cout<<"3、整数运算"<<endl;
	cout<<"4、浮点数表示"<<endl;
	cout<<"5、汇编语言"<<endl;
	cout<<"6、翻转、分支、循环"<<endl;
	cout<<"7、过程"<<endl;
	cout<<"8、数组的分配和访问"<<endl;
	cout<<"0、退出系统"<<endl;
	int n;
	cin>>n;
	system("cls");
	switch(n){
		case 1:{
			ou.open("1.txt"); 
			break;
		}
		case 2:{
			ou.open("2.txt"); 
			break;
		}
		case 3:{
			ou.open("3.txt"); 
			break;
		}
		case 4:{
			ou.open("4.txt"); 
			break;
		}
		case 5:{
			ou.open("5.txt"); 
			break;
		}
		case 6:{
			ou.open("6.txt"); 
			break;
		}
		case 7:{
			ou.open("7.txt"); 
			break;
		}
		case 8:{
			ou.open("8.txt"); 
			break;
		}
		case 0:{
			cout<<"******************************"<<endl;
			cout<<" 感谢使用本系统，祝愿考试顺利\n"<<endl;
			cout<<"        制作人：方寸谛"<<endl;
			cout<<"     制作时间：2019.4.21"<<endl;
			cout<<"******************************"<<endl;
			Sleep(1000);
			return 0;
			break;
		}
	}	
	ou>>a;
	while(a!="0"){
		ou>>b;
		if(a=="*") cout<<"        "<<b<<endl<<endl;
		else cout<<a<<"    "<<b<<endl<<endl;
		ou>>a;
		Sleep(100);
	}
	ou.close();
	system("pause");
	goto A;
} 

1.txt文件：

1 信息的表示方法有2进制和16进制，注意两者之间的转换，2->16可以每四位取16进制；16->2可每位分四
2 字长指明整数和指针数据的标称大小，决定的最重要的系统参数就是虚拟地址空间的最大大小，比方说一个字长为w的机器，虚拟地址的范围为0~2^w-1，程序最多访问2^w个字节
3 在几乎所有的机器上，多字节对象被存储在连续的字节序列，对象的地址为所使用字节中最小的地址
4 小端法：在存储器中按从最低到最高的顺序存储对象，如1234存储为：34-12，地址从小到大
5 大端法：在存储器中按从最高到最低的顺序存储对象，如1234存储为：12-34，地址从小到大
6 反汇编器：一种确定可执行程序文件所表示的指令序列的工具
7 字符由某个标准编码表示，常见的是ASCII码，如1234得到31,32,33,34，注意终止字节的十六进制数为0x00
8 因为ASCII码作为字符码任意平台结果相同，与字节顺序和字节大小规则无关，故文本数据比二进制有更强的平台独立性
9 二进制代码是不兼容的，很少能在不同机器和操作系统组合间一直，指令编码即为一种二进制代码，不同机器采用不同且不兼容的指令和编码方式
10 注意注意！！！从机器角度来看，程序仅仅是字节序列
11 c中支持位级运算（最常见的是掩码运算），逻辑运算（如果对第一个参数求值能确定T或F，则不会对第二个参数进行求值），移位运算，其中注意算术右移用最高位补齐，逻辑右移用0补齐
0

2.txt文件：

1 唯一一个与及其相关的取值范围是大小指示符long，大多数64用8字节，32用4字节
2 注意对于有符号数，其负数的范围比正数大1（因为有0）
3 无符号数的编码通过B2Uw表示，如B2U4([0001])=0*2^3+0*2^2+0*2^1+1*2^0，在图中用长度为2^i的箭头表示每个位的位置i，对应的数值为所有值为1的位对应的长度之和：B2Uw(x)=x0*2^0+...+xw-1*2^w-1
4 补码编码，将字的最高有效位作为负权：B2Tw(x)=-xw-1*2^w-1+x0*2^0+...+xw-2*2^w-2，用图中向左指的灰条与向右的蓝条加起来决定，能表示的最小值为[10...0]，最大值为[01...1]，不对称
* 反码：最高有效位权为-(2^w-1-1)，相当于完全相反
* 原码：最高有效位为符号位，相当于部分相反
* 补码：反码+1
5 强制类型转换的结果保持机器代码层面的位模式不变
6 从有符号到无符号，图上将负权值灰条反转并入
7 从无符号到有符号，小的数将保留原值，大的将会转换为负值
8 注意注意！！！当执行一个运算的时候，若他的一个数为有符号数，一个为无符号数，将会隐式地将有符号数强制转换为无符号数进行运算，并假设均非负，对>或<有影响
9 将一个无符号数转换为一个更大的无符号数，只要简单在开头添0即可，称为0扩展
10 将一个补码数字转换为一个更大的可执行符号拓展，即添加最高有效位的值
11 截断数字：将会直接抛弃高位，可能会改变他的值，是溢出的一种形式
0

3.txt文件：

1 无符号加法等价于将结果模上2^w，如1001与1100相加有10101模10000有0101，会产生字长膨胀，产生溢出
2 溢出指完整的整数结果不能放到数据类型的字长限制中
3 补码加法考虑太大或太小的情况，当太大的时候，为正溢出，结果为负；当太小的时候，为负溢出，结果为正中间部分一样取模
4 补码的非运算可对每一位取反再加1，或者找到从右往左数的第一个1，将该1的左侧数全部取反，如1100->0100
5 无符号乘法可能需要2^w位表示，所以将结果直接取模
6 补码乘法的范围是-2^2*w-2+2^w-1~2^2*w-2，通过将2w位的乘积截断为w位方式实现
7 乘法相当慢，需要10个时钟，可以用一位与加法得到常数因子的乘法，左移一位相当于乘2
8 除以2的幂更慢，需要30个时钟，分别通过逻辑右移和算术右移达到目的，整数除法总是舍入到0
0

4.txt文件：

1 浮点数表示形如V=x*2^y的有理数进行编码，二进制小数点左移一位相当于除以2，增加二进制的长度可以提高精度
2 IEEE浮点标准用V=(-1)^s*m*2^e表示一个数，其中s为符号位表示正负；m为尾数，表示精度；e为阶数，给浮点数加权，权重为2的e次幂（可负），所以浮点数的位包含三个字段：1个单独的符号位、k位的阶码字段和n位的小数字段
3 单精度格式中s=1，k=8，n=23；双精度格式中s=1，k=11，n=52
4 规格化数中阶码字段不为0，计算时为：（f（小数字段）+1）*2^（E（阶码字段）-（2^k-1-1））
5 非规格化数中阶码字段为0，计算时为：f（小数字段）*2^（E（阶码字段）-（2^k-1-1））
6 浮点数的0有+0和-0之分，当阶码字段全为1且小数字段不为0的时候是NaN表示不是一个数；当阶码字段全为1且小数字段全为0的时候是无穷大，可以表示正无穷和负无穷
7 浮点运算只能近似的标识实数运算，需要进行舍入。有向零舍入（把正数向下舍入，负数向上舍入，得到|x'|<|x|）、向下舍入（把正数负数均向下舍入）、向上舍入（把正数负数均向上舍入）、向偶数舍入（将数字向上或向下舍入，使最低有效位的数字是偶数）
* 向偶数舍入：例如有效数字超出规定数位的多余数字是1001，他大于超出规定最低位的一般，故最低位进1，如果多余数字是0111，他小于最低位的一般，则舍掉多余数字。对于多余数字1000，如果最低位为0则舍掉多余位，最低位为1则进位1，使最低位仍为0
8 注意注意！！！向偶数舍入仅仅在多余数字是恰好一半的时候起作用，否则一样是四舍六入
9 移码是符号位取反的补码，一般用指数的译码-1来做浮点数的阶码
10 一般用原码来表示阶数，然后-(2^(w-1)-1)
11 关于溢出：
* 若运算结果的双符号位为00， 表示结果为正数，无溢出；
* 若运算结果的双符号位为11，表示结果为负数，无溢出；
* 若运算结果的双符号位为10，表示负溢出。
* 若运算结果的双符号位为01，表示正溢出。
0

5.txt文件：

1 word字表示16位数据，doubleword双字表示32位数据，quadword四字为64位数据
2 大多数常用数据类型以双字形式存储，所有的指针都存为4字节的双字
3 大多数汇编指令都有一个字符后缀，表示操作数的大小，b为字节（8位）、w为字（16位）、l为双字（32位）
4 eax为累加寄存器，ecx为计数寄存器，edx为数据寄存器，ebx为数据寄存器，esi为源指针寄存器，edi为目的指针寄存器
* eax为32位，其中的ax为16位，再其中的ah和al为8位
5 操作数指示符有三类，立即数（加上$前缀）、寄存器（加上%前缀）、存储器（用小括号+地址表示）
6 有多种不同的寻址模式，允许不同形式的存储器引用，最常用语法形式为：lmm（eb，ei，s），其中lmm为立即数偏移lmm、eb为基址寄存器、ei为变址寄存器、s为比例因子，s必须是1,2,4,8，有效地址被计算为lmm+(eb)+(ei)*s
7 数据传送指令movs,d作用是将s给d，具体如下：
* mov：简单移动（大小相等）
* movs：符号拓展，用符号位填充不足（小到大）
* movz：零拓展，用0填充不足（小到大）
* cmov：先比较，满足再进行移动
* cbw：从字节拓展到字，符号位拓展
* movabsq：是新增的指令，直接将一个64位的立即数放到一个64位的寄存器中
* pushl：双字压入栈，esp值-4，push则是-2
* popl：双字出栈，esp值+4，pop则是+2
8 算术和逻辑操作xxxs,d作用是将结果给d，具体如下：
* leal：加载有效地址，将s作为地址取值放入d中
* inc：加一
* dec：减一
* neg：取负
* not：取补
* add：相加
* sub：相减
* imul：乘
* xor：异或
* or：或
* and：与
* sal：左移
* shl：左移（等于sal）
* sar：算术右移
* shr：逻辑右移
* test：相当于与，但不改变数据，仅改变条件码
9 条件码，cpu中一组单个位的条件码寄存器，其描述了最近的算术或逻辑操作属性：
* cf：进位标志，可用来检查溢出，1有0无
* zf：零标志，最近的操作得出结果为0，0则为1
* of：溢出标志，最近的操作导致一个补码溢出，1有0无
* sf：正负标志，最近运算的结果符号是正是负
* pf：判断结果中二进制1的个数的奇偶性，偶正奇负
* df：方向标志
* af：辅助，在字节操作时低半字节向高半字节进位或借位，1有0无
* if：终端，决定cpu是否响应外界可屏蔽中断请求，IF为1是允许相应
* tf：陷阱，被设置为1时cpu进入单步模式
* cx：loop指令循环计数器
10 跳转指令，有直接跳转和间接跳转，jmp*%eax是直接跳转，eax中存储地址，直接跳到该地址；jmp*(%eax)是间接跳转，eax存储存储器（内存）中的地址，存储器存储目的地址，先读出存地址，再找到目的地址，再跳转，具体如下：
* cmp：比较指令，相当于减法指令，对ZF,CF寄存器进行改变
* jz/je：相等，根据ZF=1跳转
* jnz/jne：不相等，根据ZF=0跳转
* js：是负数，根据SF=0跳转
* jns：非负数，根据SF=1跳转
* jg：大于
* jge：大于等于
* jl：小于
* jle：小于等于
* ja：超过，根据CF=0且ZF=0跳转
* jae：不低于，根据CF=1且ZF=1跳转
* jb：低于，根据CF=1跳转
* jbe：不超过，根据CF=0跳转
11 对于cmpAB会比较B与A，如ja表示判断B是否超过A
12 物理地址的形成过程是将短地址左移4位加偏移地址
0

6.txt文件

1 先将c语言转换到goto形式的语言再转换到汇编语言代码，通过goto来代替if条件语句
2 大多数汇编器通过do-while循环来产生循环代码，即便其他的循环也是如此，都需要转换为do-我hi饿了循环，每次循环进行测试，然后比较终止条件与当前条件，最终得到结果
3 条件传送指令，数据的条件转移是一种替代，先计算一个条件的两种结果，然后根据条件对结果进行选择，基于条件数据传送比基于条件控制转移性能好
4 switch语句将会在满足的情况下生成一个跳转表，跳转表是一个数组，表项i是一个代码段的地址，这个代码段实现当开关索引值等于i时程序应采取的动作，程序代码用开关索引值来执行一个跳转表内的数值引用，确定跳转指令的目标
5 跳转表的优点是执行开关语句的时间与开关情况的数量无关，当开关情况数量比较多，且值得范围比较小时使用跳转表
* 执行switch语句的关键是通过跳转表访问代码位置
6 在引用跳转表的时候jmp指令的操作数有前缀*，表明是一个间接跳转，操作数指定一个寄存器的位置，索引由寄存器的值给出
7 注意注意！！！对于跳转表中的重复情况是简单地使用同样的代码标号，对于缺失的情况是使用默认情况的标号
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7.txt文件

1 一个过程调用包含将数据（以过程参数和返回值的形式）和控制从代码的一部分传递到另一部分；另外他必须在进入时为过程的局部变量分配空间，并在退出时释放空间，数据、局部变量的分配和释放通过栈实现
2 机器用栈来传递过程参数、存储返回信息、保存寄存器用于以后恢复、本地存储、为单个过程分配的部分栈为栈帧
3 栈向低地址方向增长，而栈指针esp指向栈顶元素，利用push将数据压入栈，用pop取出，将栈指针的值减少适当值可以分配无初始值的空间，增加可释放空间
4 通过call指令调用函数，分为直接调用或间接调用，直接调用将会调用函数，间接调用将会调用地址，leave为返回准备栈，ret从过程调用中返回，返回到call指令后的那条指令
* eax、edx、ecx为调用者保存寄存器，调用函数可以覆盖这些寄存器，而不会破坏主过程的数据；ebx、esi、edi为被调用者保存寄存器，调用函数在使用时需要先将其中的数据保存到栈，并在返回前恢复；ebp和esp必须保持
* 再返回前，函数必须将栈恢复到原始，可以恢复所有的被调用者保存寄存器与ebp，并充值esp使其指向返回地址
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8.txt文件

1 对于T-A[N]，首先在存储器中分配一个L*N字节的区域，L为数据类型T的大小（字节），用Xa来表示起始位置；引入标识符A，可用A作为指向数组开头的指针，值是Xa；可用从0~n-1之间的整数索引来访问数组元素，数组元素i放在地址为Xa+L*i的地方
2 如果数组A[n]，将A的地址存放在edx中，i存放在ecx中，那么指令：movl(%edx,%ecx,4),%eax会计算Xa+4*i，将结果作为地址读出在存储器中的值，并将结果放到eax中
3 对指针运算，计算出来的值会根据引用的数据类型的大小进行伸缩
* leal指令用来产生地址，movl用来引用存储器
4 int-A[5][3]等价于：typedef-int-row_t[3]和row_t-A[5]，其中row_t为一个三个数的数组，A中包含5个这样的数组，每个要12个字节，总共60个字节；在存储中会以数组起始为基地址，偏移量为索引，产生计算期望的元素的偏移量，如T-D[R][C]，其元素D[i][j]地址为&D[i][j]=Xd+L*(C*i+j)
5 注意注意！！！在存储器中二维数组按照行优先排列
6 定长数组：当值访问第i行的元素，会创建一个局部指针变量AW，提供对第i行的直接访问，AW被初始化为&A[i][0]，可以通过AW[j]访问A[i][j]，所以“先列后行”比“先行后列”更快
7 变长数组：允许数组的维度是表达式，在数组被分配时才计算出来；引用变长数组只需要在定长数组的基础上用乘法指令对i伸展n倍，而不能用一系列的移位和加法
8 结构体的所有组成部分都存放在存储器中一段连续的区域内，指向结构的指针就是结构体的第一个字节的地址，如果元素中有数组，那么数组会改为内嵌，为了访问要将结构的地址加上适当的偏移
9 联合允许以多种类型来一用一个对象，即机器代码不改变，而以不同的数据类型来引用解释，总的大小等于最大字段的大小，证明机器代码没有类型信息，所以当用联合将两个不同大小的数据结合时，字节顺序就很重要
10 数据对齐：要求某种类型对象的地址必须为某个K的倍数，如设计一个处理器总是从存储器中取出8个字节，则地址必须为8的倍数，可能去一个对象需要执行两次存储器访问，因为对象可能在两个8字节存储器块中，编译器中用.align4指明全局数据所需的对其（K=4）所以char尽管本身只有1字节，却占据了4字节的空间
11 指针不是机器代码的一部分，而是C语言提供的一种抽象，避免寻址错误，指针是从一种类型强制转换为另一类型，只改变类型不改变值
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由于直接上传文件会收费，这里就上传了代码，希望湖大的学弟学妹理解这么长的原因。