[ 汇编语言 (一) ] —— 踩着硬件的鼓点，掌握计算机的精髓

目录

• 前言
• 从机器语言到汇编语言
• 汇编语言的工作流程
• 插入计组知识——计算机的组成
• 内存读写和地址空间
• 最后

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前言

我们的口号: 编写高效、精简的汇编语言程序，踩着硬件的鼓点，掌握计算机的精髓！

汇编语言在不同的领域和应用场景中有着不同的重要性，也在大学基础教程中起着不可或缺的作用，例如：

1. x86汇编：PC机上最广泛使用的汇编语言，应用于操作系统、编译器、驱动程序等方面。
2. ARM汇编：移动设备和嵌入式系统上广泛使用的汇编语言，应用于单片机、嵌入式操作系统、物联网等方面。
3. MIPS汇编：应用于路由器、游戏机、数字信号处理等领域。
4. PowerPC汇编：应用于高性能计算机和游戏机等领域。
5. AVR汇编：常用于单片机和电子嵌入式系统开发。

所以学习汇编语言还是很有必要的，最怕的结果就是要用的时候不会（dog）

从机器语言到汇编语言

机器语言和机器指令

我们知道机器语言都是有01二进制代码组成的，它被用于与计算机硬件交互的指令集。计算机的底层语言，是由CPU能够直接执行和解释的语言形式。机器语言编写的程序必须被翻译成机器指令才能被计算机执行。每一条机器指令都对应着机器语言中的一条指令，用于告诉CPU执行具体的操作，例如将数据从寄存器中读取、将数据写入内存地址等。

汇编语言和汇编指令

汇编语言和机器语言的关系

1. 机器语言和汇编语言，两者都是计算机能够理解和执行的指令序列。

2. 机器语言是由二进制代码组成的指令集，它直接与计算机硬件进行交互，对硬件进行控制和操作。机器语言是计算机指令的最基本形式，所有的计算机程序最终都需要被翻译成机器语言才能被计算机执行。

3. 而汇编语言则是机器语言的助手，在程序员和计算机之间建立了一座桥梁。汇编语言是一种基于机器语言，并通过符号助记符号来描述指令、寄存器、内存地址等的语言。在汇编语言中，程序员可以使用可读性更高的符号和命令来表示机器指令，使得程序设计和调试更加容易和直观。

因此，机器语言和汇编语言之间的关系是密不可分的。汇编语言是机器语言的翻译助手，可以帮助我们更加高效地对计算机进行控制。

汇编语言的工作流程

上面我们说明了从机器语言到汇编语言的基本过程，那么汇编语言的工作流程是什么呢？它需要翻译成机器语言后才能执行吗？

我们先看汇编语言的工作流程：

1. 编写汇编语言程序：使用汇编语言编写指令序列，描述程序需要执行的操作和控制流程。

2. 汇编程序：汇编器把汇编语言程序翻译成机器语言指令，生成目标代码文件。目标代码文件包括机器语言指令、数据、符号表等信息。

3. 链接目标文件：将目标文件与其他目标文件或库文件链接在一起，生成最终的可执行文件。链接器把汇编语言程序所需的库函数、标准程序等一起打包成可执行文件。

4. 装载程序：把可执行文件装载到内存中，并准备好执行环境。装载程序把程序代码和数据加载到相应的内存地址空间中，然后把控制权交给程序开始执行。

5. 执行程序：CPU执行程序，根据指令序列完成各种操作和控制流程，包括算术和逻辑运算、内存读写、跳转、分支等。程序执行完毕后，返回结果并退出。

通过上序流程，我们不难发现，汇编语言程序是原始的指令序列，需要经过汇编、链接和装载等多个阶段才能变成可执行的程序。因此，汇编语言程序的调试和优化也需要在不同阶段进行，包括语法检查、运行时错误检查、代码分析和优化等。

插入计组知识——计算机的组成

1. CPU是计算机的核心部件，它控制整个计算机的运作并进行运算，我们要让它进行工作，就必须要向它发出指令
2. 指令和数据存放到内存中，所以离开了内存再好的CPU也无法工作，比如bios，离开硬盘能进去，但是离开内存就进不去

指令和数据都存储在内存或硬盘上
例如：开机后，打开保存的程序，从硬盘读取到内存，再由内存转到CPU进行指令的执行。

指令和数据都是二进制数

计算机的存储单元

计算机当中的存储单元指储存和读取数据的基本单元，主要包括以下几种类型：

1. 寄存器：位于CPU内部的存储单元，用于暂存指令和运算的数据。寄存器具有极快的存取速度和访问效率，但容量较小，一般只有几十个到一百个。

2. 缓存：位于CPU和主存之间的存储单元，用于加速CPU对数据的访问速度。缓存分为一级缓存和二级缓存，一级缓存放置在CPU内部，二级缓存放置在CPU芯片上或者主板上，容量比寄存器大，但比主存小。如今的cpu一般都有三级缓存。

3. 主存：也称为内存，是计算机中最主要的储存单元，用于存放程序和数据。主存的容量一般比CPU内部的寄存器和缓存大得多，但访问速度比较慢。

4. 辅助存储器：例如硬盘、光盘、U盘等，用于长期储存数据和程序，容量巨大，但是访问速度比主存慢很多。

不难发现，一般情况下来说，存储器的速度和容量一般都呈现出反比，不可兼顾，否则我们只要有一个存储器就足够了，哈哈哈

计算机的总线

专门连接CPU和其他芯片的导线，通常称为总线

物理层面：一根根导线的集合
逻辑层面：地址总线，数据总线，控制总线
它们分别负责传输地址信息、数据信息和控制信息，是计算机中各个存储单元之间进行数据交换的基础。

1. 地址总线：地址总线用于传输内存地址信息，它的宽度决定了CPU可以寻址的内存容量。例如，如果地址总线宽度为20位，那么CPU最多可以寻址2的20次方，即1MB的内存空间。当CPU需要读取或写入数据时，它会将地址信息发送到内存或设备的控制器中，用于选择特定的存储单元。

2. 数据总线：数据总线用于传输数据信息，它的宽度决定了CPU和存储单元之间可以传输的数据位数。例如，如果数据总线宽度为32位，则可以一次性传输32位的数据。当CPU需要读取或写入数据时，它会通过数据总线和系统总线将数据信息传输到内存或设备中。

3. 控制总线：控制总线用于传输控制信息，它包含了各种控制信号，例如读写控制、中断请求、时钟信号等。当CPU需要与存储单元或设备进行交互时，它会通过控制总线向相应的存储单元或设备发送控制信号，控制其进行数据传输、状态转移等操作。

内存读写和地址空间

由于我们学习汇编语言的时候是直接和内存进行打交道的，所以关于内存的读写和地址空间，我认为有必要主要的聊聊。

CPU对存储器的读写：

1. 获取存储单元的地址（地址信息）
2. 器件的选择，读或写命令（控制信息）
3. 读或写的数据（数据信息）

地址空间

什么是地址空间？

• CPU地址总线为N，寻址空间为2^N B

我们从CPU角度来看地址空间的分配：

• 在32位CPU中，通常将整个地址空间分为4GB的虚拟地址空间和物理地址空间。虚拟地址空间是应用程序能够访问到的地址范围，它是针对每个进程单独分配的地址空间。系统通过虚拟内存管理机制将虚拟地址映射到物理地址上，从而实现虚拟地址空间的分配和管理。

• 物理地址空间是CPU与实际物理内存之间的地址空间。物理地址是指计算机中真实的内存地址，它是硬件地址，对应的是内存芯片上的实际地址。物理内存对应的地址空间是映射到虚拟地址空间中的某个区域上，由操作系统通过页表来完成地址映射。

• 在CPU中，地址空间的大小由地址总线的宽度来决定。如果其地址总线的宽度为32位，那么其地址空间的大小为2的32次方（即4GB）。在现代CPU中，通常采用了与此相比更大的地址总线宽度，以支持更大的地址空间和更高的内存容量。

CPU需要寻址和读写内存中的数据和指令，地址空间的划分和管理直接关系到系统的性能、可靠性和安全性。

如下图所示，CPU与地址空间的联系：

最后

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